Ingeniería química eugenio muñoz camcho

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Ingeniería Química

EUGENIO MUÑOZ CAMACHOMARIO GRAU RÍOS

UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA

INGENIERÍA QUÍMICA

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© Universidad Nacional de Educación a DistanciaMadrid 2013

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© Eugenio Muñoz Camacho, Mario Grau Ríos

Todas nuestras publicaciones han sido sometidas a un sistema de evaluación antes de ser editadas.

ISBN electrónico: 978-84-362-6642-9

Edición digital: abril de 2013

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Presentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Tema 1. CONCEPTO Y FUNDAMENTOS DE LA INGENIERÍA QUÍMICA. LA INDUS-TRIA QUÍMICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Tema 2. BALANCES DE MATERIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Tema 3. BALANCES DE ENERGÍA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

Tema 4. FUNDAMENTOS DE LAS OPERACIONES BÁSICAS DE LA INGENIERÍA QUÍMICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

Tema 5. OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE CANTIDAD DE MOVIMIENTO . . 115

Tema 6. OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA Y ENERGÍA . . . . . . . . . 143

Tema 7. OPERACIONES COMPLEMENTARIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

Tema 8. INGENIERÍA DE REACTORES Y TECNOLOGÍAS ESPECIALES . . . . . . . . . . . . 177

Tema 9. INGENIERÍA MEDIOAMBIENTAL APLICADA A LA INGENIERÍA QUÍMICA 193

Tema 10. SEGURIDAD E HIGIENE INDUSTRIAL. OTRAS TÉCNICAS DE PREVEN-CIÓN DE RIESGOS LABORALES. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

Tema 11. LA ATMÓSFERA COMO MATERIA PRIMA: OBTENCIÓN DE GASES NO-BLES, NITRÓGENO Y OXÍGENO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

Tema 12. LA HIDROSFERA COMO MATERIA PRIMA: OBTENCIÓN DE AGUA Y OB-TENCIÓN DE SALES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295

ÍNDICE


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Tema 13. LA INDUSTRIA DEL CLORO-SOSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323

Tema 14. LA LITOSFERA COMO MATERIA PRIMA: MINERALES Y PRODUCTOS BÁSICOS. PRINCIPALES ÁCIDOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337

Tema 15. MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN: PRODUCTOS CERÁMICOS, YESOS Y CALES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365

Tema 16. INDUSTRIAS DEL CEMENTO Y DEL VIDRIO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391

Tema 17. INDUSTRIAS METÁLICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413

Tema 18. LA BIOSFERA COMO FUENTE DE MATERIAS BÁSICAS EN LA PRODUC-CIÓN DE ENERGÍA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439

Tema 19. COMBUSTIBLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465

Tema 20. PETROQUÍMICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499

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En el marco del nuevo Espacio Europeo de Educación Superior, la im-plantación de los nuevos estudios de Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales en la Universidad Nacional de Educación a Distancia, supone un paso decisivo en la actualización de las enseñanzas tecnológicas en ge-neral, y de la Química aplicada en particular.

La presente obra, constituye el texto base para el estudio y la prepara-ción de la asignatura «Ingeniería Química», que con carácter tecnológico y obligatorio, se imparte en el primer semestre del tercer curso de carrera, con 5 ECTS.

Esta obra persigue ser el texto de base para el estudio de la citada asignatura. Se estructura en dos partes claramente diferenciadas, con diez temas o capítulos cada una: la primera parte, de carácter general, se dedica a los principios básicos de la ingeniería química, y la segunda, ya más específica y concreta, se extiende en el estudio de los principales procesos básicos de la ingeniería química, resaltando sus materias pri-mas de partida y los productos finales obtenidos. Por otra parte, la bre-vedad de un semestre como duración total para el tratamiento de la asig-natura no ha permitido ser más ambiciosos en extensión y profundidad de temas, habiendo tenido que sacrificar muchos capítulos y técnicas en aras a la presentación de unos contenidos ajustados a los objetivos di-dácticos exigidos.

Los autores quieren expresar su agradecimiento al director del Depar-tamento de Química Aplicada a la Ingeniería, el profesor Alfonso Contre-ras López, por sus valiosas sugerencias para el desarrollo de esta obra, así como a los demás profesores: Rosa Gómez Antón, M.ª José Caselles, Pilar Contreras y Jesús Sardá, los profesores honorarios Mariano Molero y Francisco Gomis, así como a la Secretaria del Departamento Lucía Arias, por el apoyo y comprensión demostrados en todo momento.

PRESENTACIÓN


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Finalmente se dedica un especial agradecimiento a D. Francisco J. Ló-pez (U.D.C.) y a todo el equipo de la Unidad de Producción de Material Im-preso de la UNED por su comprensión, esfuerzo y dedicación para que esta obra sea publicada.

Madrid, enero de 2012

Tema 1

Concepto y fundamentos de la Ingeniería Química. La industria química

1.1. La industria química: evolución, presente y futuro.

1.2. Concepto de ingeniería química.

1.3. Conceptos previos.

1.3.1. Proceso químico.1.3.2. Productos intermedios, subproductos, residuos e

impurezas.1.3.3. Definición de Sistema y sus tipos.1.3.4. Otros conceptos.1.3.5. El concepto de operación básica.

1.4. Operaciones continuas, discontinuas y semicontinuas. Régimen estacionario y no estacionario.

1.4.1. Operaciones continuas.1.4.2. Operaciones discontinuas.1.4.3. Operaciones semicontinuas.1.4.4. Régimen estacionario.1.4.5. Régimen no estacionario.

1.5 Leyes de conservación. Ecuaciones generales de balance.

1.5.1. Ley de conservación de la materia.1.5.2. Ley de conservación de la energía.1.5.3. Ley de la conservación de la cantidad de movimiento.1.5.4. Ecuaciones generales de balance.

1.6. Mecanismos de los fenómenos de transferencia.

1.6.1. Mecanismos de transferencia molecular.1.6.2. Mecanismos de transferencia turbulenta.

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Recordatorio de conceptos y expresiones que deben haberse aprendido con anterioridad a este curso.

Ejercicios de autocomprobación.

Solución de los ejercicios de autocomprobación.

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OBJETIVOS

Comprender el concepto y objetivos de la Ingeniería Química.•

Repasar los conceptos que ya debe poseer el alumno que son indispensables • para una comprensión de la asignatura.

Introducción a los conceptos propios y descripción de los principios en los • que se basa la Ingeniería Química que serán desarrollados a lo largo de su estudio.

1.1. LA INDUSTRIA QUÍMICA: EVOLUCIÓN, PRESENTE Y FUTURO

La Química es la ciencia que trata de la materia en cuanto a su composi-ción, estructura, propiedades y transformación. El mundo que se conoce, tanto lo inanimado como lo animado, está constituido por materia. El avance de los conocimientos desvela continuamente que hasta los aspectos más apa-rentemente desligados de lo material, como pueden ser los relacionados con la personalidad de cada cual, tienen que ver (en mayor o menor grado) con las propiedades y maneras de transformarse de la materia que los sustenta, tal y como ocurre con la memoria y la conducta, por ejemplo. Por lo tanto, la Quí-mica, en sus más diversas ramas, no deja de tener una trascendental impor-tancia en el progreso de la historia de la humanidad hacia niveles de mayor bienestar y esperanza de vida, en conjunción e integración con las demás Ciencias y sus formas de aplicación. Así se desarrolla la bioquímica hacia campos como la biología molecular y la ingeniería genética, las ciencias e in-genierías ambientales, las ciencias de los materiales y sus aplicaciones, etc.

Los más diversos aspectos que configuran la vida actual, tan profunda-mente cambiante y dinámica, y que condicionan su futuro, como los rela-cionados con la salud, la alimentación, el transporte, las comunicaciones,


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la vivienda, la energía, la cultura, el ocio, etc., se deben a los avances de la Ciencia y de la Técnica con una fuerte y decisiva contribución de las cien-cias e ingeniería químicas.

Todo avance en cualquier ámbito de la Ciencia y de la Técnica, no solo en lo que concierne a los aspectos químicos, implica además el riesgo de su utilización en contra de la calidad de vida y del futuro de parte o toda la humanidad, ya sea inconscientemente por una desmesurada ambición que desprecia una actitud razonable de precaución hacia lo que aun no se co-noce suficientemente, ya sea más o menos conscientemente con la agre-sión directa a la vida (drogas, armas, fraudes alimentarios, etc.), al medio ambiente y al desarrollo sostenible. Se impone un equilibrio que conjugue el avance hacia un verdadero progreso y el respeto hacia la vida, la digni-dad humana, el medio ambiente, las demás especies y los recursos natura-les. Lo que implica el mayor conocimiento de todos los aspectos más allá de los considerados propios de la profesión u oficio y la actuación interdis-ciplinaria en cualquier caso. De aquí el interés que la Química y la Ingenie-ría Química, al menos en nociones básicas, como cualquier otra Ciencia y Técnica, tiene para todo científico e ingeniero.

Así se reconoce por la Comisión Europea en el Libro Blanco de 2001 sobre la Estrategia para la futura política en materia de sustancias y prepa-rados químicos, con un objetivo fundamental: el desarrollo sostenible, que ha conducido al sistema REACH y a la creación de la Agencia Europea ECHA con sede en Helsinki. La producción mundial de productos quími-cos ha pasado de un millón de toneladas en 1930 a más de 500 millones de toneladas en la actualidad. Hay ya más de 100.000 sustancias químicas dis-tintas registradas en el mercado europeo, de las cuales 10.000 se comercia-lizan en cantidades superiores a 10 toneladas y unas 20.000 en cantidades comprendidas entre 1 y 10 toneladas. La industria química es la tercera in-dustria de transformación en importancia en Europa. Emplea directamen-te a cerca de dos millones de personas y unos tres millones de empleos de-penden de ese sector. Además de diversas multinacionales influyentes, cuenta con unas 36.000 PYME, que representan el 96 % del número total de empresas y contribuyen en un 28 % a la producción química. La nueva estrategia comunitaria trata de garantizar la sostenibilidad y un nivel alto de protección de la salud humana y del medio ambiente, además de facili-tar el funcionamiento eficaz del mercado interior y estimular la innovación y la competitividad en la industria química.

CONCEPTO Y FUNDAMENTOS DE LA INGENIERÍA QUÍMICA. LA INDUSTRIA QUÍMICA

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Se trata pues de aportar desde la industria química productos, de utili-zación directa o como materia prima, mejorados no solo desde el punto de vista de su aplicación más eficiente sino también con el mayor respeto a la vida, al medio ambiente y al desarrollo sostenible. Y se trata también de que los procesos tanto de producción como de transformación, incluido el tratamiento y en su caso reciclado de los desechos, cumplan tales objeti-vos. Es esencial, pues, el conocimiento de las propiedades de los productos así como de los procesos en los que intervienen, ya sean industriales o de interacción con el medio. Solo mediante el conocimiento de cómo y por-qué se desarrollan estos procesos químicos se los podrá controlar con ga-rantía y eficacia y mejorarlos, para seguir avanzando en el progreso.

1.2. CONCEPTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

Desde los comienzos de la humanidad puede decirse que la química ha intervenido en el devenir del progreso de nuestra especie, desde el descu-brimiento del fuego, su utilización y su control, pasando por la metalurgia, la cerámica, la pintura, los tintes, entre otros, estando presente en todos los momentos de la Historia, e incluso condicionándola (el descubrimiento de la pólvora; las guerras por las materias primas, por ejemplo el carbón, el caucho, el petróleo; la evolución de la medicina, la agricultura, la ali-mentación, los transportes; la biotecnología, la industria aerospacial, las comunicaciones y un muy largo etcétera).

Por otra parte, según la Real Academia de la Lengua Española, la inge-niería es el conjunto de conocimientos y técnicas que permiten aplicar el saber científico a la utilización de la materia y de las fuentes de energía.

El ingeniero está capacitado por lo tanto para profundizar en los cono-cimientos científicos existentes así como en los avances existentes en el ámbito de la técnica con el fin de obtener para cada caso planteado la me-jor solución que convenga con relación a los objetivos planteados y a las circunstancias del entorno de la empresa o entidad a la que presta sus ser-vicios. Por lo tanto es competente, entre otras cosas, para el diseño, de-sarrollo, control y mejora de un determinado proceso, instalación o pro-ducto, como puede ser, por ejemplo, producir energía eléctrica, refinar el petróleo, fabricar vehículos, construir carreteras, extraer minerales, de-sarrollar una explotación agraria, etc.


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La industria se puede definir como la actividad que tiene por objeto la transformación tanto de los productos de la naturaleza como de productos ya transformados y de las fuentes de energía para su consumo. En este momento debe añadirse que tales actividades deben respetar el medio am-biente, el desarrollo sostenible, las vidas de las personas, animales y plan-tas así como los bienes, permitiendo además que los beneficios del uso y consumo de lo que produce tal actividad puedan extenderse a todo tipo de persona con independencia de sus peculiaridades o limitaciones, ya sean permanentes o temporales. Además deben ser competitivas y adaptables a los posibles cambios los que deba someterse por circunstancias de merca-do, de innovación tecnológica o de otra índole.

El Ingeniero Industrial parte de una base científica y técnica muy am-plia con una especialización en los aspectos tecnológicos correspondien-tes a la especialidad elegida, estando capacitado para el proyecto y fabri-cación de productos para su uso directo o indirecto en la sociedad, así como para el desarrollo de servicios de carácter técnico. Su formación incluye técnicas de dirección y gestión y le permite actuar en ámbitos pluridisciplinares, particularidad ésta que prácticamente abarca cual-quier actividad. Además debe estar en constante alerta ante los diversos cambios tecnológicos, económicos, sociales y organizacionales, con el fin de encontrar las mejores soluciones en cada momento, en una época marcadamente cambiante.

Finalmente la Ingeniería Química es la Ingeniería Industrial que abor-da, en particular, las transformaciones de las sustancias químicas con el objeto de conseguir un determinado producto con una cierta utilidad o, en su caso, un cierto efecto deseado. En este sentido, el ingeniero químico es un ingeniero que une a los conocimientos básicos de las demás ingenie-rías, matemáticas, física, economía, entre otras, la propia química. De este modo, puede considerarse que su base es aún más extensa.

El ingeniero químico debe conocer profundamente no solamente las materias primas y los productos que pretende obtener, sino también las ca-racterísticas y posibilidades de los procesos a emplear, teniendo en cuenta los posibles productos intermedios, subproductos y residuos, así como sus propiedades fisicoquímicas. Muchas variables influyen en estos procesos, tales como temperatura, presión, caudal, estado, etc. Es esencial controlar los consumos y posibles pérdidas tanto de masa como de energía. Para ello


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es muy importante los soportes a utilizar tanto en el almacenamiento como en las distintas partes y fases del proceso: depósitos, reactores, tube-rías... Y toda una diversidad de equipos y dispositivos para el mejor rendi-miento, calidad y control.

En esta ingeniería es, si cabe, aún más importante la gestión del proce-so en toda su extensión (desde la entrada de materias primas y las necesi-dades de energía hasta la salida y distribución de los productos), con un diseño y organización versátil y adaptable a las disponibilidades y las de-mandas. Determinados procesos producen productos que a su vez son ma-teria prima para otras industrias. Cada vez es mayor la diversidad de tipos y cantidades en la demanda. Cuestiones como el almacenamiento y el transporte son esenciales. Y la industria química es, además, la que poten-cialmente puede contaminar, en términos generales, en mayor medida que otras actividades. Es creciente la necesidad del mayor control posible no solo para una calidad del producto ajustada, que incluya los mayores nive-les de seguridad y protección de la salud y el medio ambiente en su utiliza-ción, si no también para el máximo aprovechamiento de las materias y energías utilizadas, la contribución al desarrollo sostenible, el reciclado, la adecuada, segura y limpia evacuación de los residuos, la no contaminación de suelos, aire y agua...

No obstante, estos principios de la ingeniería química interesan no solo al futuro ingeniero industrial químico sino a todo ingeniero industrial, cualquiera que sea su especialización, incluso a cualquier ingeniero y otros profesionales, especialmente los de los ámbitos del medio ambiente y de la higiene industrial, por cuanto que en su actuación profesional muy proba-blemente se va a encontrar con cuestiones relacionadas con los procesos químicos, siendo esencial unos conocimientos mínimos para entenderlas y comprenderlas para una mejor colaboración en los equipos multidiscipli-nares y en las relaciones interdisciplinares.

1.3. CONCEPTOS PREVIOS

Para poder comprender y avanzar en lo que respecta a las Bases de la Ingeniería Química se debe tener muy claros determinados conceptos de la Química y la Física y poder utilizarlos con suficiente agilidad y seguri-dad. Se recomienda, por lo tanto, que se repasen anteriores asignaturas es-


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pecialmente en lo que respecta a las magnitudes y unidades correspondien-tes a la cantidad de materia, concentración y masa (mol, masa molecular, molaridad, fracción molar, densidad, densidad relativa, etc.), las magnitu-des y unidades y leyes relacionadas con la temperatura, la energía, el mo-vimiento, y presión, a las leyes y cálculos para las reacciones químicas y la estequiometría (composición, ajuste, conversión, rendimiento, selectivi-dad, etc.), las bases de la termodinámica, cinética química y mecánica de fluidos, etc. Para facilitar el recuerdo de estas materias y la verificación de su comprensión y utilización correcta se ofrece un breve glosario de térmi-nos y leyes y algunos ejercicios.

1.3.1. Proceso químico

Un proceso químico a escala industrial es un conjunto de operaciones que implican reacciones químicas y transformaciones físicas, interrelacio-nadas entre sí, dirigidas a la obtención de determinados productos finales a partir de materias primas que, en general, se aportan en la fase inicial.

Materias primas

Preparación dematerias primas

Reaccionesquímicas

Realimentación

Productos

Productosfinales

Purificación

Residuos

Tratamiento

Separación

Figura 1.1. Esquema simple de un proceso químico industrial.

Estos procesos pueden llegar a ser de gran complejidad, pero en general siguen el esquema descrito en la figura 1.1. Se parte de unas materias pri-mas iniciales, que se preparan mediante transformaciones físicas y quími-cas para su entrada en un conjunto de reactores, del que salen unos pro-ductos de reacción mezclados con subproductos y materias primas no consumidas. Tras una conveniente separación, estas últimas pueden recir-


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cularse hasta los reactores, los subproductos después de un tratamiento adecuado pueden ser aprovechados para otro proceso o simplemente se mi-nimiza su impacto en el medio ambiente como desechos al igual que los re-siduos que resultan de la purificación de los productos finales de reacción para acabar como productos finales dispuestos para el consumo, ya sea de otro proceso industrial o bien para su comercialización. A todo lo referente a la materia, se añaden los intercambios de energía en todo este conjunto de operaciones y etapas.

También deben incluirse como procesos químicos industriales aquellos que no tienen por finalidad la obtención de productos para su consumo, como es el caso de los que persiguen el tratamiento de subproductos y re-siduos con el fin de reciclarlos y de minimizar la contaminación del medio ambiente.

1.3.2. Productos intermedios, subproductos, residuos e impurezas

Se denominan productos intermedios a las sustancias formadas duran-te las reacciones químicas y que se transforman y desaparecen antes del fi-nal de la reacción o del proceso. Puede ocurrir que no se consuman por completo y constituyan a su vez subproductos que pueden reciclarse intro-duciéndolos en la etapa correspondiente del proceso.

Los subproductos son las sustancias que se forman durante las reaccio-nes químicas y que permanecen al final de la reacción o del proceso. Sue-len ser productos de reacción no deseados que muchas veces se someten a otros procesos para su aprovechamiento o para lograr un menor impacto en el medio ambiente en el caso de que tengan que desecharse.

Los residuos son productos de las reacciones que deben ser eliminados al final del proceso. En general carecen de interés y cuando pueden repre-sentar un riesgo para las personas o para el medio ambiente se califican como residuos tóxicos y peligrosos, debiendo ser tratados conveniente-mente como desecho de acuerdo con la normativa medioambiental corres-pondiente.

Las impurezas son sustancias que están presentes en otras sustancias en cantidades relativas insignificantes. Cuando acompañan a los produc-tos del proceso y, por diversas razones, no pueden utilizarse o consumir-


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se en esas condiciones, se someten tales productos a operaciones de puri-ficación para su eliminación completa o reducción a proporciones que pueden ser toleradas al ofrecerse, como producto final, para determina-dos usos.

Entrada

Reacción 1A

B

C

E

D

A+ +

+

F

I

R

SS

I F

Reacción 2

Salida

TratamientoAl proceso

Salida

Reciclado

PurificaciónMaterias primasProductos

intermedios

Materiaprima

Impurezas Productofinal

Residuos

Subproductos

Figura 1.2. Sustancias que intervienen en un proceso.

1.3.3. Definición de Sistema y sus tipos

Los procesos se desarrollan en un determinado espacio constituido por un conjunto de equipos, recintos, aparatos, dispositivos, etc., como pueden ser mezcladores, reactores, columnas de destilación, evaporadores, extrac-tores, intercambiadores de calor, entre otros. A este espacio se le denomina sistema. A este sistema entran y salen sustancias (materia), con posibles in-tercambios de energía, a su vez entrante y saliente.

Un sistema es, en general, una abstracción que se utiliza para el análi-sis y estudio de un proceso. Para ello hay que delimitarlo mediante fron-teras bien definidas con respecto a su entorno, pudiendo en procesos más o menos complejos dividirlo a su vez en subsistemas, que representarán las correspondientes partes del proceso objeto del estudio. Hay que tener en cuenta que la frontera puede ser real, fija o no, o bien ser una superfi-cie imaginaria que puede cambiar de forma según se va desarrollando el proceso.

Un sistema abierto o continuo es aquel en el que, durante el período de tiempo de observación objeto del estudio, tiene lugar intercambio de


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materia con el entorno a través de su frontera. En él se produce una opera-ción continua.

Se considera un sistema como cerrado o discontinuo cuando durante el período de observación no existe intercambio de materia con el entorno a través de su frontera. Tan solo al inicio de cada operación se produce una entrada de materia (carga) y al final una salida de producto (descarga).

También pueden existir sistemas intermedios o semicerrados que se corresponden con las operaciones semicontinuas, que suponen un sistema cerrado (por cargas y descargas separadas en el tiempo) que durante el transcurso de cada etapa de carga y descarga de unos componentes, recibe y libera de modo continuado otros componentes.

1.3.4. Otros conceptos

Con independencia de conceptos importantes y otros de menor impor-tancia que se irán definiendo a lo largo del desarrollo de este temario, en su momento oportuno, conviene ahora definir algunos que se suelen em-plear con carácter general en ingeniería química.

Se denomina propiedad extensiva de un componente o un sistema o parte del mismo a una propiedad característica que es proporcional a la masa del mismo. En ingeniería química se consideran fundamentalmente tres: la cantidad de materia, la energía y la cantidad de movimiento.

La acumulación es la cantidad de materia, energía o cantidad de mo-vimiento que durante un período de tiempo se acumula en un determina-do volumen de un sistema. Esta cantidad puede ser positiva o negativa se-gún suponga un incremento o una disminución de la propiedad considerada en un caso concreto.

La transferencia o transporte de una propiedad extensiva supone la variación de la misma de un punto a otro por desplazamiento a través de la superficie de la frontera de un sistema o subsistema. Son tres: transfe-rencia de materia, de energía y de cantidad de movimiento. La transferen-cia puede producirse independientemente de que exista o no gradientes.

La transferencia o transporte másico de un componente de una mez-cla se produce por el movimiento de un fluido superponiéndose a la trans-ferencia debida a la existencia de gradientes.


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La transferencia o transporte molecular de una propiedad se basa en el desplazamiento o difusión de moléculas de un fluido, individualmente consideradas, debido a un gradiente de concentraciones. Es característico del régimen laminar.

La transferencia o transporte turbulento de una propiedad se basa en el desplazamiento aleatorio de conjuntos de moléculas (difusión turbu-lenta) en virtud de un gradiente de concentración de tal propiedad. Se pro-duce en régimen turbulento.

La generación consiste en la producción de una o más sustancias a partir de otras (reactivos).

El consumo es la desaparición de una o más sustancias por transfor-mación en otras (productos intermedios o productos finales).

1.3.5. El concepto de operación básica

Todo proceso consiste en un conjunto de transformaciones químicas y físicas que pueden desglosarse en una serie de operaciones unitarias o bási-cas, que adecuadamente interconectadas conducen al objetivo perseguido.

Cada una de las operaciones básicas supone una acción determinada de adecuación, transferencia o transformación, o bien cualquier combinación de éstas, de las sustancias en un proceso. Se basan en unos principios cien-tíficos y técnicos determinados, tienen una función concreta y pueden su-poner una etapa del proceso. Tienen lugar en un determinado dispositivo o instalación específica y su cálculo y diseño responde a la función a desem-peñar, siendo común a todos los procesos, cualquiera que sean las sustan-cias aplicadas y las condiciones en que puedan estar en un caso concreto.

1.4. OPERACIONES CONTINUAS, DISCONTINUAS Y SEMICONTINUAS. RÉGIMEN ESTACIONARIO Y NO ESTACIONARIO

En la mayoría de los procesos se manejan flujos o corrientes de gases y de líquidos, aunque en alguna de las etapas se trate materia en estado sólido. No obstante, en cualquier caso existirá uno de los tres tipos de modo de operar siguientes:


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1.4.1. Operaciones continuas

Las operaciones continuas son características de un sistema abierto, puesto que suponen una entrada y una salida continua o permanente de materia del mismo. Su funcionamiento se corresponde con un régimen es-tacionario, salvo claro está cuando se produce una parada, deliberada o no, y el posterior período de reanudación del proceso.

Se trata, pues, de operaciones que permanecen constantes con el tiem-po, por lo que esta magnitud no es una variable, aunque en la práctica in-dustrial no se pueden descartar nunca posibles fluctuaciones, que serán consideradas en los correspondientes cálculos para una situación promedio «constante» y estarán debidamente controladas.

Este modo de operar suele predominar en los procesos que manejan grandes cantidades de sustancias por su mayor rentabilidad ya que, en ge-neral, se desarrollan con altos niveles de productividad.

1.4.2. Operaciones discontinuas

Las operaciones discontinuas o intermitentes corresponden a sistemas cerrados, ya que se trata de aportar de una sola vez las materias de alimen-tación mediante la carga al inicio y luego, finalizada la operación, retirar los productos resultantes, mediante su descarga. Son operaciones que suponen a su vez tres etapas bien diferenciadas: carga, transformación y descarga. En estos casos el tiempo de duración de cada operación es una variable impor-tante a considerar. Sin embargo no existen flujos (continuados) de entrada y salida de materia. Normalmente transcurren en un régimen no estacionario.

Estas operaciones predominan en los casos que se utilizan pequeñas cantidades de sustancias o cuando es más conveniente realizar paradas frecuentes en la producción de determinados productos.

1.4.3. Operaciones semicontinuas

En los sistemas semicerrados se combinan flujos continuos de entrada o salida, o ambos a la vez, junto con la carga y descarga del resto de sustan-cias implicadas. De este modo pueden conseguirse parte de las ventajas que suponen las operaciones continuas, de mayor facilidad de control y auto-


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matización a la par que mayores rendimientos, cuando otras razones obli-gan a la intermitencia. No obstante, en estos casos hay que considerar la variable tiempo y el régimen de funcionamiento suele ser no estacionario.

1.4.4. Régimen estacionario

El régimen estacionario es el habitual de las operaciones continuas y descarta la variable tiempo puesto que los valores de las variables intensi-vas, como la presión y la temperatura, permanecen constantes, aunque de un punto a otro del sistema sean diferentes pero siempre invariables.

1.4.5. Régimen no estacionario

El régimen no estacionario es característico de las operaciones disconti-nuas y semicontinuas y supone la variación con el tiempo de las variables intensivas características del proceso en el transcurso de la correspondiente operación. Tal variación suele progresar (independientemente de su signo) desde los valores iniciales de la carga hasta los finales de la descarga.

1.5. LEYES DE CONSERVACIÓN. ECUACIONES GENERALES DE BALANCE

Ya se ha señalado que en los procesos químicos se producen cambios de las propiedades extensivas de la materia que son esencialmente la cantidad de materia que implica la transformación de unas sustancias en otras diferentes, la separación de unas sustancias de otras o su mezclado, etc., la energía, que análogamente puede implicar la transformación de unas formas de energías en otras o la modificación de su nivel, por ejemplo, y la cantidad de movi-miento, que puede representar la modificación de la velocidad en valor y en dirección. Estas propiedades obedecen leyes universales que aunque ya estu-diadas en cursos anteriores conviene describir brevemente a continuación.

1.5.1. Ley de conservación de la materia

Esta ley o principio se ha enunciado tradicionalmente aseverando que la materia, sea cual sea la acción a la que se le someta, no se crea ni se des-


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truye sino que se transforma. Este principio se mantiene válido en cual-quier proceso físico y químico pero deja de cumplirse en los procesos nu-cleares, ya que puede transformarse en energía y ésta a su vez en materia. Para estos casos se sustituye por el principio de la constancia de la suma de masa y energía totales de un sistema aislado (sin posibilidad de trasfe-rencia alguna a través de la frontera que lo delimita).

La ley de conservación de la materia implica la constancia de la masa total de un sistema aislado, en términos de masa y al aplicarla a un proce-so químico y un sistema determinados implica lo que se conoce como ba-lance de materia, en términos de cantidad de materia.

A este respecto conviene tener presente la diferencia entre el concepto de masa, cuya unidad de medida es el kilogramo (kg) y el concepto de can-tidad de materia, cuya unidad es el mol.

El balance de materia, como se verá más adelante, consiste en la expre-sión matemática de la aplicación del principio de conservación, por lo que la cantidad de materia que entra en un sistema determinado más la que se genera, es igual a la cantidad de materia que se consume, más la que se acu-mula y más la que sale del sistema.

1.5.2. Ley de conservación de la energía

En la ingeniería química se suele abordar, salvo casos especiales en los que se tienen en cuenta otros tipos, las formas o manifestaciones de la energía siguientes: la energía cinética, la energía potencial, la energía in-terna, el calor y el trabajo.

Análogamente al principio de conservación de la materia, la ley de con-servación de la energía significa que ésta ni se crea ni se destruye sino que se convierte de unas formas a otras, con la salvedad ya señalada de los pro-cesos nucleares. Lo que también supone que la cantidad total de energía de un sistema aislado, sin posibilidad de transferencia con el entorno a tra-vés de su frontera, permanece constante con el tiempo.

Una expresión de esta ley es el Primer Principio de la Termodinámica, que expresa que la suma de las energías calorífica y de trabajo, que son energías de intercambio o «en tránsito» (no son energías acumulables) y, por lo tanto, no son funciones de estado, es igual a la variación de la


26

energía interna del sistema, que sí es una función de estado. Esto signifi-ca, por ejemplo, que en un sistema cerrado el aumento de su energía in-terna es igual a la suma del calor que entra más el trabajo realizado con-tra él.

La aplicación de estos principios a la ingeniería química corresponde al balance de energía. Hay que tener en cuenta que las transferencias de ener-gía entre el sistema y su entorno pueden tener lugar tanto a través de la en-trada y salida de materia como por la transferencia directa a través de la frontera mediante el intercambio de calor y la realización de un trabajo.

Más adelante se tratará con más detalle el balance de energía, cuya expresión matemática refleja la conservación de la cantidad total de ener-gía, por lo que la variación de la energía que se acumula en el sistema es igual a a la energía recibida del entorno menos la energía liberada hacia el entorno. Aquí no se habla de energía generada propiamente dicha aun-que sí se desprenda calor o se realice un trabajo, por ejemplo. No obstan-te puede existir tanto generación como consumo de energía dentro del sistema.

1.5.3. Ley de la conservación de la cantidad de movimiento

Otras de entre las características que definen un sistema son las condi-ciones de movimiento. En muchas operaciones básicas su análisis reviste una especial importancia puesto que su funcionamiento está basado en buena medida en los cambios de estas condiciones que se producen.

La cantidad de movimiento es una magnitud vectorial con la misma di-rección y sentido que la velocidad de un móvil, cuyo módulo es igual al producto de la masa por la velocidad:

r rp mv= . En consecuencia la fuerza a

la que está sometida un punto material es igual a la variación de la canti-dad de movimiento por unidad de tiempo:

r r r rf m

dv

dtm

d mv

dt

d p

dt= = =

( )

[1.1]

De modo análogo a los otros dos principios, en todo sistema aislado, sobre el que no se ejerce ninguna fuerza externa, la cantidad total de la cantidad de movimiento permanece constante.


27

También en este caso la aplicación de este principio es el balance de la cantidad de movimiento. En estos casos hay que precisar los balances se realizan para el sistema y las transferencias con el entorno, descartando el continente o envoltura. A estos efectos el sistema es el contenido exclusiva-mente. Por ejemplo: el fluido que circula por una tubería con exclusión de las paredes.

Para ello puede utilizarse la acumulación de la cantidad de movimiento

total de un sistema dp

dt

r

, que, como se observa, dimensionalmente corres-

ponde a una fuerza. En general, los balances de cantidad de movimiento serán asimismo balances de fuerzas, siendo la acumulación de la cantidad de movimiento igual a la entrada neta de cantidad de movimiento por uni-dad de tiempo por desplazamiento más la suma de fuerzas que actúan so-bre el sistema, como son las fuerzas de presión a la entrada y salida del sis-tema, la fuerza gravitatoria y la fuerza que el propio sistema ejerce sobre el exterior.

1.5.4. Ecuaciones generales de balance

Los balances son una herramienta muy útil, imprescindible, en los cálcu-los de ingeniería química. Un balance es una especie de inventario que puede estar referido a una o varias propiedades extensivas (balances simul-táneos), a un componente o a un grupo de ellos o al conjunto total (balan-ce global). Según la propiedad en concreto y las necesidades o convenien-cias se utilizarán unas unidades u otras. Para el caso de la materia, por ejemplo, se puede utilizar unidades de masa o de cantidad de materia (mo-les) según más convenga.

Dado que los tres tipos de balance, de materia, de energía y de cantidad de movimiento, responden a unos principios y pautas semejantes, es posi-ble hacer una abstracción y establecer una ecuación general de balance para cualquiera de estas propiedades extensivas. A continuación se desa-rrollan las expresiones correspondientes para sistemas constituidos esen-cialmente por fluidos.

De modo generalizado se puede considerar que en un sistema R en ré-gimen no estacionario y en el que tienen lugar reacciones químicas como


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expresión esquemática de la conservación de la cantidad de propiedad ex-tensiva X del modo siguiente:

[X acumulado en R] = [X generada en R] + [X que entra en R] – [X que sale de R]

[A] = [G] + [E] + [S] [1.2]

Si se considera (figura 1.3) un volumen V de un elemento fijo, limitado por una superficie de área S, de una parte de fluido (gas o líquido) en mo-vimiento, que es atravesada por las distintas partes del mismo a la veloci-dad de la corriente v

r, la cantidad de propiedad extensiva X que se acumula

o consume en dicho elemento es:

A

C

tdV

V=

∂∂∫

[1.3]

donde C es la cantidad de X por unidad de volumen que puede variar de un punto a otro. Esta acumulación o consumo (acumulación de signo ne-gativo) es, por tanto, la suma de lo que se genera en el interior del sistema más la diferencia entre lo que entra y sale de él.

dS

v

V

S

Figura 1.3. Porción de un fluido de volumen V y superficie de área S.

La generación de propiedad extensiva X en el interior del sistema es:

G g dV

V= ∫

[1.4]


29

donde g es la cantidad de X generado por unidad de volumen y por uni-dad de tiempo.

En cuanto a la propiedad extensiva que entra y sale del sistema hay que distinguir entre los dos tipos de mecanismos de transferencia molecular: el de difusión o conducción de calor (por gradientes) y el de convección (por la circulación del flujo a una determinada velocidad). En este caso se ex-presa la cantidad neta saliente (por diferencia entre la que entra y sale del sistema) de la propiedad extensiva. Como caudal neto se representa por:

E S dS Cv dS

SS− =− ⋅ − ⋅∫∫ φ

r r r

[1.5]

El primer término del segundo miembro se refiere al mecanismo de di-fusión siendo Ø el flujo de X debido a gradientes de concentración (como cantidad de X que atraviesa un área S de la superficie por unidad de tiem-po). El segundo término representa el mecanismo por convección por mo-vimiento del fluido con velocidad v

r.

Finalmente la expresión de la ecuación general del balance para cual-quiera de las tres propiedades extensivas es:

A = G + (E – S)

∂∂

= ⋅ + − ⋅ − ⋅( )∫ ∫ ∫ ∫C

tdV g dV dS Cv dS

V V S Sφr r r

[1.6]

Si se utilizan valores medios se puede utilizar la expresión equivalente siguiente, si se considera que se atraviesan superficies de entrada (e) y de salida (s) de áreas diferentes (tubo de sección variable):

A

d

dtC V g V S C Q C Qm m i i

ie V s Ve s

= = + − ⋅ + −⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥∑( ) ( ( )φ

r

[1.7]

En esta expresión Ce y Cs son las cantidades de X por unidad de volu-men medias en la entrada y en la salida, respectivamente, siendo sus cau-dales volumétricos:

Q v SV = ⋅r r

[1.8]


30

y para el mecanismo de difusión molecular la suma de los caudales netos que salen del sistema en virtud del gradiente de las cantidades de X por unidad de volumen es:

φi

iiS∑ ⋅ur

[1.9]

La ecuación general aplicada al balance de materia supone que C es la concentración (kg/m3), para el balance de energía la concentración de ener-gía (J/m3) y para el balance de cantidad de movimiento su concentración (kg/m2s).

En los balances puede considerarse cada componente por separado o agrupados según conveniencia, o su totalidad en un balance global.

En general se utilizan los balances macroscópicos para sistemas fini-tos, empleando expresiones algebraicas, pero hay casos en lo que es mu-cho más útil un balance microscópico aplicado a un elemento infinitesi-mal, por lo que se emplean ecuaciones diferenciales que posteriormente se integran.

1.6. MECANISMOS DE LOS FENÓMENOS DE TRANSFERENCIA

En los procesos de la ingeniería química y las operaciones básicas en que se articulan se utilizan fluidos y sólidos en una o varias fases líqui-das o gaseosas. En ellos se producen transferencias de las tres propieda-des extensivas ya mencionadas, con una gran semejanza aunque con al-gunas diferencias. Así la transferencia de materia requiere que haya más de un componente mientras que la transferencia de las otras dos propie-dades, energía y cantidad de movimiento, pueden tener lugar en siste-mas de un solo componente puro. No obstante, a excepción del mecanis-mo de radiación, tanto la transferencia de energía como la de cantidad de movimiento están asociadas al movimiento de materia sin necesidad de que exista transferencia de materia, aun cuando sea esto último lo más frecuente.

En la mayor parte de operaciones básicas tiene lugar una transferencia simultánea de las tres propiedades siendo la más lenta, el llamado fenóme-no controlante, la que determina la velocidad global del proceso.


31

La transferencia de cualquiera de las tres propiedades se produce esen-cialmente por dos causas: Por la diferencia o gradiente de la concentración de la propiedad (incluida la de la cantidad de movimiento que siendo una magnitud vectorial puede admitirse aquí, por analogía, tales diferencias) y por el desplazamiento másico del fluido, independientemente de que exis-tan o no gradientes de concentración.

En la transferencia es muy importante el régimen de circulación del fluido: si es laminar o turbulento.

En fluidos en régimen laminar (o en su caso, en reposo) se produce la transferencia molecular basada en el desplazamiento individualizado de las moléculas. Son casos abordables desde el punto de vista teórico, con expresiones matemáticas con soluciones analíticas.

Cuando el régimen es turbulento tiene lugar la transferencia turbu-lenta, que se basa en el desplazamiento de conjuntos de moléculas, de muy difícil estudio teórico, por lo que hay que recurrir a estudios empíri-cos con expresiones matemáticas auxiliadas con la utilización de paráme-tros empíricos como son los coeficientes de transferencia.

1.6.1. Mecanismos de transferencia molecular

Si un fluido circula en régimen laminar en una determinada direc-ción (por ejemplo el eje x), aunque individualmente las moléculas pue-den moverse aleatoriamente en cualquier dirección, se desplazarán glo-balmente en la misma dirección del eje x (velocidad vx ≠ 0) y no en la dirección perpendicular al flujo, el eje z (velocidad vz = 0). Sin embargo, si consideramos distintos planos (láminas) paralelos a la dirección de la circulación del fluido, las moléculas atravesarán dichos planos en ambos sentidos del eje z perpendicular de tal manera que la frecuencia entre ambos planos y sentidos se compense, manteniendo una velocidad neta igual a cero.

En un ejemplo hipotético, si consideramos dos de tales planos, situados a una cierta distancia entre sí, siendo uno de ellos que llamamos P1 el que posee con respecto al otro P2 menor velocidad, menor temperatura y me-nor concentración de un componente determinado c, se encuentra que en el intercambio aleatorio de moléculas entre ambos planos, las que proce-


32

den de P1 tienen menor cantidad de movimiento, de energía y son meno-res en número del componente c. Todo lo contrario ocurre con las molécu-las que proceden de P2 y llegan a P1.

Esto significa que las moléculas procedentes de P1 y se dirigen a P2 se aceleran y adquieren energía al chocar con las demás moléculas. Por el contrario las moléculas de P2 en dirección a P1 sufren una deceleración perdiendo además energía con los choques con las otras moléculas.

Las aceleraciones y deceleraciones son consecuencia de fuerzas que ac-túan sobre un plano intermedio Pi de referencia, que referidas a la unidad de área constituyen las tensiones rasantes, tangenciales o de rozamiento. Estas tensiones existen siempre que haya una diferencia de velocidades y provocan la deformación del fluido.

En el plano perpendicular a la corriente y a estos planos, la transfe-rencia de cantidad de movimiento y de energía se produce en dos etapas sucesivas: la difusión hacia el plano de referencia y la homogeneización de tal propiedad por choques en dicho plano. La transferencia de materia sin embargo simplemente se produce en una etapa, la difusión, ya que consiste en la llegada al plano de referencia de las moléculas de cada com-ponente.

P1

Pi

P2

z

x

Sentido decirculación del

fluido

Figura 1.4. Transferencia molecular.

La consideración del simple desplazamiento de materia, sin gradientes de concentración de ningún componente, por un fluido en movimiento es un problema meramente de mecánica de fluidos y se analiza desde el pun-


33

to de vista de transferencia de cantidad de movimiento y no de transferen-cia de materia.

En conjunto, considerado el desplazamiento en un fluido en movimien-to, la transferencia de materia es por desplazamiento con el sentido de la corriente (desplazamiento global de toda la masa desde un punto a otro posterior en el sentido de la corriente) y por difusión debido al gradiente de concentración molecular de cada componente. Realmente esta difusión no solo es en el sentido transversal a la corriente sino en cualquier direc-ción, pudiendo decomponerse en componentes radiales (perpendicular a la dirección de la corriente) y axial (eje de la corriente).

Los fenómenos de transferencia de propiedad que tienen lugar por la existencia de gradientes de su concentración, son consecuencia de la evo-lución espontánea de los sistemas hacia un estado de equilibrio (segundo principio de la termodinámica).

Se define como flujo de propiedad φ (también densidad de flujo o ve-locidad de difusión) a la cantidad de la misma que atraviesa una superficie perpendicular a la dirección de la transferencia por unidad de tiempo y por unidad de área.

En la transferencia molecular de una propiedad, debida a un gradiente de su concentración, el flujo φ de tal propiedad es proporcional a la dife-rencia de su concentración o gradiente:

φ = k × ΔC [1.10]

Esta expresión es la generalización de las tres leyes de velocidad o ciné-ticas de la transferencia molecular: leyes de Fick, Fourier y Newton, que es semejante a la conocida ley de Ohm de la electricidad:

I = G × ΔV [1.11]

siendo I la intensidad de corriente eléctrica, G la conductancia (inverso de la resistencia) y ΔV la diferencia de potencial.

Para la transferencia de materia de un componente A determinado, si NA es el flujo de materia del componente A (masa o cantidad de materia por unidad de tiempo y por unidad de área) que se difunde en una direc-ción determinada, el gradiente que lo produce, dCA/dz (siendo CA la densi-


34

dad ρA o la concentración molar MA) y la constante de proporcionalidad la difusividad DA, la Ley de Fick tiene como expresión:

N D

dC

dzA AA=−

[1.12]

que en particular para la cantidad de materia en moles tiene la primera de las siguientes expresiones y para la masa en kg la segunda:

N D

dM

dzn D

d

dzA AA

A AA

z z=− =−;

ρ

[1.13]

La generalización de la Ley de Fick para una determinada dirección es:

n

A= D

A

d A

dx+

d A

dy+

d A

dz= D

A A

[1.14]

Las unidades de la difusividad o coeficiente de difusión molecular DA del componente A son m2/s, determinándose experimentalmente sus valo-res para una determinada presión y temperatura.

De los tres mecanismos de transferencia de energía, radiación, conduc-ción y convección, la Ley de Fourier se refiere a la conducción (la radiación no está asociada al movimiento de la materia y la convección corresponde al régimen turbulento), siendo el flujo de energía q, que atraviesa un fluido en régimen laminar o en reposo o, en su caso, un sólido, en J/m2s, dT/dz el gradiente de temperatura en una dirección determinada y la constante de proporcionalidad k, la conductividad calorífica del fluido o del sólido. La expresión es:

q k

dT

dzz =−

[1.15]

La expresión generalizada para cualquier dirección es:

q k

dT

dx

dT

dy

dT

dzk T

[1.16]


35

Las unidades de k, que también se denomina conductividad térmica, son W/m · K. Sus valores son función del material y su estado físico.

Análogamente para la transferencia de cantidad de movimiento, el flujo de ésta o esfuerzo cortante en un fluido (entre dos láminas de fluido paralelas muy próximas entre sí, como en la figura 10.4) para mantener el régimen la-minar es:

zx

xdv

dz [1.17]

Esta es la llamada Ley de Newton. En este caso, el esfuerzo cortante τzx, que se expresa en N/m2 (dimensiones de presión), produce el gradiente de velocidad dvx /dz, en una relación de proporcionalidad directa en la que la constante μ es la viscosidad del fluido. Su valor se expresa comúnmente en cP (centipoises) aunque en el sistema internacional la unidad es el Pa · s (Pascal-segundo) que equivale a 10 P (decapoise). La viscosidad (o viscosi-dad dinámica) es característica de cada fluido y su valor depende de la pre-sión y de la temperatura. La viscosidad cinemática es v= μ/ρ siendo sus unidades m2/s, las mismas que la difusividad.

Los fluidos que cumplen con la Ley de Newton se denominan fluidos newtonianos o con comportamiento newtoniano.

En la figura 1.5 se indican los perfiles de concentración de materia, temperatura y velocidad en dos tipos de corriente de fluidos: entre dos pla-cas paralelas (como en una tubería) y sobre una plano (canal abierto).

z

z

x

x

CA(z)

CA(z)

Vx(z)

Vx(z)

T(z)

T(z)

Tubería

CanalSuelo

Figura 1.5. Perfiles de concentración, temperatura y velocidad en una corriente de fluido.


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1.6.2. Mecanismos de transferencia turbulenta

El estudio de los fluidos, en particular la mecánica de fluidos o la reolo-gía, en sus aspectos modernos, puede decirse que arranca de los decisivos experimentos de Reynolds hacia finales del siglo XIX.

El régimen laminar de una corriente se caracteriza por el deslizamiento de unas capas (láminas) de fluido unas con respecto a otras de tal manera que (figura 1.5) en el interior de una tubería son las centrales las que tie-nen una mayor velocidad y las próximas a las paredes las de menor veloci-dad. En un canal abierto las capas más veloces son las próximas a la su-perficie libre y las más lentas las cercanas al suelo. Este fenómeno es debido al rozamiento interno del fluido o viscosidad. En consecuencia el fluido al desplazarse debe vencer esas fuerzas de rozamiento, con lo que se produce una pérdida de carga o presión conforme avanza en una tubería o canal (supuesta en posición horizontal) debido a la energía puesta en jue-go que se va transformando en calor.

No obstante, el fluir de una corriente de fluido en régimen laminar se realiza de manera «ordenada» y, como ya se ha advertido, con una transfe-rencia de materia neta nula entre dos láminas.

Sin embargo, cuando la velocidad relativa entre dos capas o láminas que se deslizan, una sobre la otra, es suficientemente elevada, ocurre que la fuerza de rozamiento es muy intensa, obligando a la superficie de contacto a retorcerse sobre sí misma, formando remolinos. Estos se originan al ten-der a introducirse la capa más lenta en el seno de la más rápida y terminar por ser arrastrada en su movimiento bajo la forma de tales remolinos. (Por el efecto Venturi, la capa más rápida tiene menor presión que la más lenta, con lo que ésta es «empujada» hacia la otra).

El régimen de circulación es turbulento cuando se forman los remoli-nos. La transición del régimen laminar al turbulento tiene lugar al traspa-sar un cierto umbral en un aumento paulatino de la velocidad. La corrien-te laminar comienza a ser inestable cuando se alcanza un valor crítico, dando lugar a la constitución de ciertos núcleos de turbulencia (remoli-nos), con lo que se produce una mayor pérdida de carga en virtud de la creación de esos remolinos. A partir de estos valores, si se continúa au-mentando la velocidad de la corriente, en un rango que corresponde a una zona crítica, los remolinos van extendiéndose a toda la masa del fluido y se


37

entra en el régimen turbulento. Esta transición viene acompañada de una discontinuidad en las magnitudes características de la corriente de fluido, provocada por la absorción de energía en la creación de los remolinos (energía de rotación y degradación a calor por rozamiento de los remoli-nos como consecuencia de la viscosidad).

La velocidad crítica de la transición del régimen laminar al turbulento depende tanto de la naturaleza del fluido como de las características del recinto que alberga la corriente (tubo, canal, etc.). Reynolds estableció un parámetro o módulo adimensional que proporciona una referencia muy útil para conocer el tipo de régimen de la corriente a partir de los datos del fluido y de la conducción por la que circula. Este módulo recibe el nombre de número de Reynolds (o módulo o parámetro de Reynolds), que para las tuberías cilíndricas tiene la siguiente expresión:

Re=

ρvdµ

[1.18]

donde ρ es la densidad del fluido, v la velocidad de la corriente, d el diáme-tro interno del tubo y μ la viscosidad. Un valor de Re = 2100 representa el umbral de la zona crítica, en la que se forma un núcleo de turbulencia. Esta zona se extiende hasta valores alrededor de Re = 2400 que señalan que se entra en régimen turbulento (remolinos en toda la masa), el cual se desarrolla por completo al superar el valor Re = 10 000.

El régimen turbulento supone un movimiento desordenado (al azar en todas las direcciones) de conjuntos o grupos de moléculas en los re-molinos, que se superpone al desplazamiento propio del fluido (en el sen-tido de la corriente). Esta situación favorece la transferencia de las tres propiedades extensivas. Sin embargo el mayor flujo de cantidad de movi-miento se traduce en una mayor rozamiento, particularmente entre las paredes de la conducción y el fluido (mayor resistencia al movimiento re-lativo entre ambos), y, por lo tanto, en una mayor transformación final-mente en energía calorífica. Por otra parte, se favorecen los flujos de energía y de materia, ya que disminuye la resistencia a la transferencia de ambas propiedades.

El régimen de turbulencia predomina en las operaciones industriales pero su estudio y tratamiento es de una gran complejidad. Las velocidades


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puntuales fluctúan continuamente de un instante a otro pero sin embargo la velocidad promedio tiende a estabilizarse, como puede observarse en los perfiles de velocidad de la figura 1.6.

Régimen laminar Transición al régimen turbulento Régimen turbulento

Figura 1.6. Perfiles de velocidad en el régimen laminar, en la transición al turbulento y en el régimen turbulento.

En el régimen turbulento se superponen los mecanismos de transferen-cia propios del régimen laminar a los debidos a la fluctuación «aleatoria» de los remolinos, utilizándose expresiones más complicadas que aplican entre otros parámetros los denominados coeficientes de transferencia.


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RECORDATORIO DE CONCEPTOS Y EXPRESIONES QUE DEBEN HABERSE APRENDIDO CON ANTERIORIDAD A ESTE CURSO

Cantidad de materia n. Número de unidades materiales elementales, en general átomos o moléculas, de uno o más componentes contenidos en un determinado sistema o recinto. La unidad en el Sistema Internacio-nal (SI) es el mol que equivale aproximadamente a 6,023 × 1023 de tales unidades materiales. A este valor se le denomina Número de Avogadro NA y es el número de átomos de 12 g de isótopo carbono 12. La masa m de una determinada cantidad de materia es: m = n × M, donde M es la masa molecular (o, en su caso, la masa atómica).

Concentración molar de un componente (molaridad). En un sistema de dos o más componentes es la relación entre la cantidad de un com-ponente determinado en moles y el volumen de la mezcla, expresado en litros. La unidad es: mol/L. (1 mol/L = 1000 mol/m3)

Concentración en masa de un componente. Masa del componente por unidad de volumen de la mezcla. En general se utiliza como unidad g/L. En el SI kg/m3.

Fracción molar de un componente xi; yi. El cociente del número de mo-les de un componente entre el número total de moles de la mezcla. xi = ni /∑nj . Es adimensional.

Fracción en masa (peso) de un componente, wi. Es el cociente de la masa del componente y la masa total. wi = mi/∑mj. Es adimensional.

Densidad ρ. Es el cociente entre la masa y el volumen: ρ = m/V. La unidad SI es kg/m3. Se suele utilizar g/mL = kg/L = 1000 kg/m3. La densidad relativa, d, adimensional, es la relación entre la densidad y la densidad de una especie de referencia (agua, aire, etc.).

Cantidad de movimiento, p. Producto de la masa por la velocidad. Mag-nitud vectorial. Su unidad SI kg × m/s.

Viscosidad (dinámica), μ. En la expresión que relaciona el esfuerzo

cortante o tensión tangencial en un fluido que se desplaza τzxxdv

dz=−μ

con el gradiente de velocidad perpendicular al plano de deslizamiento, la constante μ. La unidad en el SI es el pascal segundo (Pa · s = N · s/m2). También se utiliza el poise P, siendo 1 P = 0,1 Pa · s.


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Viscosidad cinemática, v. El cociente de la viscosidad por la densidad: v = μ/ρ. La unidad SI es m2/s.

Trabajo, W. Producto de la fuerza aplicada en un punto por el desplaza-miento producido en la dirección de la fuerza. La unidad SI es el julio J. El trabajo contra (sobre) el sistema tiene signo positivo (el sistema gana energía).

Caudal másico, Qm. Masa del fluido que atraviesa una superficie por uni-dad de tiempo. Unidad SI: kg/s. El flujo másico ϕm la masa por unidad de tiempo y de área. Su unidad SI: kg/m2 × s.

Caudal volumétrico, Qv. Volumen de fluido que atraviesa una superficie por unidad de tiempo. Unidad SI: m3/s.

Flujo térmico (energético), φ. Cantidad de calor que atraviesa una super-ficie por unidad de tiempo. Unidad SI: W (vatio).

Densidad de flujo térmico, ϕ. Cociente del flujo térmico por el área de la superficie que atraviesa. Unidad SI: W/m2.

Coeficiente de transmisión (transferencia) térmica, h, k, α. Cociente de la densidad de flujo térmico por la diferencia de temperatura. Uni-dad SI: W/m2 × K.

Energía interna U de un sistema o cuerpo. Es el contenido energético suma de energías de enlaces en los cristales, moleculares, atómicas y subatómicas. Es una función de estado que no puede medirse directa-mente, aunque sí calcular sus variaciones.

Primer Principio de la Termodinámica. El aumento de energía interna de un sistema o de un cuerpo se debe al trabajo mecánico realizado sobre el mismo y a la cantidad de calor recibida del entorno. ΔU = Q + W. El calor Q es positivo si se transfiere al sistema, al igual que el trabajo que se efec-túa sobre el mismo. Ambos, calor y trabajo dependen del camino recorri-do y por lo tanto no son funciones de estado sino energías en tránsito.

Entalpía H. Se define por la expresión H = U + pV. Es decir, la suma de la energía interna U y el producto de la presión por el volumen pV. Es una función de estado y al igual que la energía interna no se puede medir su valor absoluto sino sus variaciones.


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EJERCICIOS DE AUTOCOMPROBACIÓN

1. Deducir el valor de la fracción molar de un componente en una disolución acuosa 1,5 molal. (Masas atómicas del hidrógeno, 1,0 y del oxígeno, 16,0).

2. Calcular el número de mL de ácido clorhídrico de densidad 1,19 g/mL y de riqueza en ácido del 36%, que serán necesarios para preparar 800 mL de disolución 0,321 M. (Masas atómicas del hidrógeno 1,0 y del cloro 35,5).

3. Una muestra de gasolina de 100 octanos contiene 1,00 mL de tetraetil-plomo por litro. Sabiendo que la densidad relativa de este antidetonan-te es 1,66 g/mL y que se obtiene por reacción entre el cloruro de etilo (C2H5Cl) y una aleación sodio-plomo (PbNa4) ¿cuántos gramos de cloru-ro de etilo se necesitan para obtener suficiente tetraetil-plomo para un litro de gasolina? (Masas atómicas: H, 1,0; O, 16,0; Na, 23,0; Pb, 207,2; Cl, 35,5).

4. Una muestra de 2 m3 de aire, medidos en condiciones normales, se pasa a través de una disolución de yoduro sódico, donde el ozono exis-tente experimenta la reacción:

O3 + I – + H2O → O2 + I2 + OH –

El yodo formado se valora con una disolución 0,01 M de tiosulfato só-dico, que reacciona con el yodo según la reacción:

I2 + S2O32– → I – + S4O6

2–

Se gastan en dicha valoración 0,04 mL.

Se solicita:

Ajustar las reacciones redox que intervienen en el problema.a)

Calcular el número de moles de yodo que han reaccionado con los b) 0,04 mL de disolución de tiosulfato sódico.

El número de moles de ozono que había en los 2 mc) 3 de aire.

5. Por una tubería cilíndrica de 20 mm de diámetro circula un líquido de densidad 1800 kg/m3 y viscosidad 0,02 Pa.s, con un caudal de 700 cm3/s. Calcular el valor del número de Reynolds y comentar el régimen del flujo.


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SOLUCIÓN DE LOS EJERCICIOS DE AUTOCOMPROBACIÓN

1. La concentración de una sustancia expresada como 1,5 molal equivale a 1,5 moles de tal sustancia disuelta en 1 kg de disolvente; éste último, en este caso es el agua, cuya masa molecular es M(H2O) = 18, por lo que 1 kg (= 1000 g) equivale a la cantidad de materia expresada en moles:

nd = 1000/18 = 55,55 mol

Por lo tanto la fracción molar referida a esa sustancia como componente de un sistema binario (un soluto más un disolvente) es

xs = ns /(ns + nd) = 1,5/(1,5 + 55,55) = 0,063

2. La molaridad de un componente en una disolución equivale al número de moles de tal componente (soluto) disueltos en un litro de dicha disolu-ción. En este caso 800 mL (= 0,8 L) de una disolución 0,321 molar (0,321 M) supone una masa de ácido clorhídrico puro (HCl):

M(HCl) = 36,5

n = V × M = 0,8 × 0,321 = 0,2568 mol HCl

m = n × M = 0,2568 × 36,5 = 9,37 g HCl puro

La masa m' del HCl no puro de riqueza del 36% (r = 0,36) es:

m' = m / 0,36 = 9,37 / 0,36 = 26,03 g HCl no puro

Esta masa de HCl de densidad 1,19 g/mL ocupa un volumen:

d = m'/V ; V = m'/d = 26,03 / 1,19 = 21,87 mL

3. Se trata de la reacción:

4 C2H5Cl + PbNa4 → Pb(C2H5)4 + 4 NaCl

La masa molecular del plomo tetraetilo Pb(C2H5)4 es: M = 323,2.


43

Un litro de esa gasolina contiene una masa de Pb(C2H5)4:

m = V × d = 1 × 1,66 = 1,66 g

que equivale al número de moles:

n = m/M = 1,66/323,2 = 0,0051 mol

Con relación a la estequiometría de la reacción, estos 0,0051 moles de Pb(C2H5)4 necesitan 4 × 0,0051 = 0,02 mol C2H5Cl que corresponden a la masa:

m = n × M = 0,02 × 64,5 = 1,29 g C2H5Cl

4. a) Las reacciones ajustadas son:

O3 + H2O + 2e– → O2 + 2OH–

2I– → I2 + 2e–

O3 + H2O + 2I– → I2 + O2 + 2OH–

I2 + 2e– → 2I–

2S2O32– → S4O6

2– + 2e–

I2 + 2S2O32– → S4O6

2– + 2I–

b) 0,04 mL de disolución 0,01 M de S2O32– contiene:

nt = 0,04 · 10–3 × 0,01 = 4 · 10–7 mol S2O32–

Como 2 mol de S2O32– reaccionan con 1 mol de I2, en este caso corres-

ponde a:

ny = nt /2 = 4 · 10–7/2 = 2 · 10–7 mol I2

c) El yodo obtenido proviene de todo el ozono transformado, en una rela-ción mol a mol, por lo que el número de moles de ozono es:

noz = ny = 2 · 10–7 mol O3


44

5. El número de Reynolds tiene por expresión:

Re=

ρvdµ

Los valores deben estar en el mismo sistema de unidades, por ejemplo el SI (Sistema Internacional). La densidad (kg/m3) y la viscosidad (Pa ∙ s ó

N ∙ s/m2) están facilitadas en este Sistema. El diámetro interno d es

0,02 m (20 mm).

La velocidad del flujo o corriente se calcula para un área de la superficie

transversal al flujo (circular): S = πr2 = π(0,02/2)2 = 0,00031 m2 . La velo-

cidad media para un caudal de 700 · 10–6 m3/s es:

v = Qv /S =700.10–6 / 0,00031 = 2,258 m/s

Por lo tanto:

Re= 1800 × 2,258 × 0,02 / 0,02 = 4064 > 2400

(Régimen turbulento)

Tema 2

Balances de materia

2.1. Ecuación general del balance de materia

2.2. Balance en procesos continuos y en régimen estacionario

2.2.1. Aplicación a una operación sin reacción química2.2.2. Aplicación a una operación con reacción química2.2.3. Aplicación a sistemas con reacciones de combustión

2.3. Balance de materia en sistemas con varias unidades

2.4. Sistemas con recirculación, con derivación y con purgado

2.5. Balance de materia en sistemas de varias fases

2.6. Balance macroscópico de materia en régimen no estacionario

2.6.1. Aplicación a una operación discontinua sin reacción química

2.6.2. Aplicación a una operación discontinua con reacción química

2.6.3. Aplicación a una operación continua

Ejercicios de autocomprobación.

Solución de los ejercicios de autocomprobación.

47

OBJETIVOS

Entendimiento y comprensión del concepto de balance de materia.•

Adquisición de conocimientos necesarios para resolución de balances de • materia.

Aplicación de los balances de materia a tipos de casos concretos de mayor • frecuencia en la Ingeniería Química.

1.1. ECUACIÓN GENERAL DEL BALANCE DE MATERIA

Si se parte de las ecuaciones generales de balance abordadas en el tema 1 (1.5.4), concretamente de las expresiones [1.6] y [1.7], para aplicarlas al ba-lance de materia se considera que en este caso C es la concentración (kg/m3) con lo que se obtiene la correspondiente expresión general para el balance de materia.

Para el caso general en que un fluido con n componentes circula por una conducción de sección variable, se puede despreciar los efectos del mecanismo de transferencia de materia por difusión a través de las super-ficies de entrada y salida con relación a los de convección debidos a la pro-pia circulación del fluido. Esto implica eliminar los términos referidos al flujo en las ecuaciones citadas [1.6] y [1.7], con lo que la segunda expre-sión [1.7] aplicada a un componente i se reduce a:

d

dtC V g V C Q C Qi i i V i Vm m e e S S

( ) ( )= + −

[2.1]

Para el sistema dado, la masa total del componente i, mi = CiV, por lo que:

d

dtm g V C Q C Qi i i V i Vm e e s s

( ) ( ( )= + −

[2.2]


48

donde gim es la masa del componente i generada en términos netos por uni-

dad de tiempo y de volumen y Ci es la concentración de i en términos de masa (kg/m3).

Finalmente se realiza la suma para el conjunto de todos los componen-tes del sistema dado y se obtiene la ecuación general del balance ma-croscópico global de materia en términos de unidad de masa:

d

dtm Q Qt e V s Ve s

= −ρ ρ

[2.3]

En esta última expresión mt es la masa total (kg) del sistema considera-do (mt = ∑mi), ρ es la densidad (ρ = Ci) y el término ∑gim

= 0 ya que la can-tidad total de masa se conserva y por lo tanto no existe generación de masa a nivel total global del sistema.

Se advierte que si se utiliza la cantidad de materia (mol) en lugar de la masa, el término (∑gim

) no sería nulo en el caso de reacción química en cuya estequiometría hubiera una variación del número total de moles en-tre los reactivos y los productos.

Hay que subrayar que en un sistema en reposo, sin circulación de flui-do (QV = 0), obviamente no podría despreciarse el término relacionado con la transferencia por difusión (∑

i φi iS⋅ur

).

Los balances de materia se pueden realizar tanto para el conjunto de todos los componentes (global), para cada uno de estos componentes, un elemento, una molécula, un grupo de átomos (un ion, por ejemplo) y para una sustancia de composición no determinada a condición de que perma-nezca invariable (disolvente, gas inerte, etc.)

El sistema abierto sobre le que se realiza un balance de materia puede ser, por ejemplo, global de toda una planta química, un determinado pro-ceso de la misma, una unidad de este proceso, una parte de esta unidad o bien una parte acotada de una conducción.

En cualquier caso, a la hora de realizar cualquier balance es necesario fi-jar una base de cálculo como referencia para el resto de los términos del ba-lance. Se puede escoger una cantidad determinada de un componente, pre-feriblemente que no reaccione y que entre y salga formando parte de la misma corriente con el mismo caudal (100 kg de agua como disolvente). También puede elegirse una cantidad de una de las corrientes de las que más

BALANCES DE MATERIA

49

información se tenga (100 mol de aire en un horno) o un período de tiempo (una hora, por ejemplo).

Los balances de materia son necesarios para el estudio y análisis de las operaciones básicas, particularmente en lo que respecta a los rendimientos y a su funcionamiento.

En la resolución de cualquier balance de materia es esencial su compren-sión completa y tener bien claro qué se pretende. Para ello es interesante ayudarse de un esquema gráfico donde se defina el sistema delimitado por una frontera y se señalen mediante símbolos y valores correspondientes los datos que se conozcan y solo con símbolos aquellas variables o parámetros que de momento se desconozcan. Hay que intentar calcular o averiguar al-gunos de ellos con ayuda de bases de datos, cálculos sencillos o gráficos. Como ya se advirtió es imprescindible elegir una base de cálculo convenien-te. Realícese un listado de incógnitas y compruébese que se puede resolver con una solución única. Si no fuera así conviene repasar las hipótesis y cálculos o intentar encontrar más información útil. Finalmente se resuelven las ecuaciones y se comprueban los resultados en las ecuaciones redundan-tes, (por ejemplo el balance global) que haya.

2.2. BALANCES EN PROCESOS CONTINUOS Y EN RÉGIMEN ESTACIONARIO

Muchos procesos y operaciones básicas son continuos, con una entrada y salida continuada de componentes. La mayoría de ellos se caracterizan además porque las diversas variables, composición, caudal, temperatura, etc., no varían con el tiempo, cualquiera que sea el lugar que se considere del sistema. Es decir, se trata de procesos en régimen estacionario. En estos casos las variables intensivas solo dependen de la posición y son constantes respecto al tiempo.

En consecuencia, no existe acumulación y, por lo tanto:

A = G + (E – S) = 0

G = S – E

d

dtm g V C Q C Qi i i V i Vm e e s s

( ) ( ) ( )= + − = 0

g V C Q C Qi i V i Vm s s e e

= −

[2.4]


50

Si además no se producen reacciones químicas, el primer término (ge-neración) de la expresión última se anula (G = 0) y resulta:

S E C Q C Q Q Qi V i V m ms s e e is ie= ∴ = ∴ =

[2.5]

Lo que significa que el caudal másico (kg/s) del componente i es igual a la entrada que a la salida del sistema.

2.2.1. Aplicación a una operación sin reacción química

Como ejemplo se plantea mezclar dos naftas A y B para utilizar el re-sultado de esta mezcla en un proceso posterior. Los porcentajes en masa de hidrocarburos de la nafta A son 65 % C6 y 35 % C8 mientras que los de la B son 50 % C6 y 50 % C8. El mezclador es alimentado con 200 kg/min de nafta A y con 150 kg/min de nafta B. Se trata de saber cuanta mezcla se produce por minuto y su composición.

Para resolver este problema, después de leerlo atentamente se tratará de comprenderlo en toda su extensión partiendo de un esquema que lo re-presente:

A 200 kg/min (65% C6 y 35% C8)

B 150 kg/min (50% C6 y 50% C8)

M QM kg/min (x % C6 y %C8)Mezclador

Figura 2.1

En este caso no hay reacción y no puede haber acumulación de mate-ria. Por lo que se aplica las expresiones de 2.5. En consecuencia, la masa total que sale del sistema es igual a la masa total que entra.

Se escoge como base de cálculo 1 min.

Se elabora una tabla como la de la figura 2.2, por ejemplo.

Figura 2.2

BALANCES DE MATERIA

51

Se plantean los siguientes balances de materia: total y de los dos com-ponentes C6 y C8:

Total, Qs = Qe ∴ QM = QA + QB = 200 + 150 = 350 kg/minComponente #1 (C6), 350 · (x/100) = 200 · (65/100) + 150 · (50/100) Que resuelta da: x = 58,57 %.

Componente #2 (C8), 350 · (y/100) = 200 · (35/100) + 150 · (50/100)Que resuelta da: y = 41,43 %

Los resultados obtenidos se comprueban con otras relaciones, como x + y = 100. Pueden ser útiles realizar tablas como la de la figura 2.3.

Figura 2.3

2.2.2. Aplicación a una operación con reacción química

Cuando se produce una reacción química el balance de materia suele com-plicarse bastante lo que requiere para su resolución una mayor comprensión, si cabe, del problema y una extremada atención a los cálculos para lo cual es imprescindible la organización y orden en la realización de los mismos.

La estequiometría de las reacciones que tienen lugar es esencial, de-biendo escribir las correspondientes ecuaciones estequiométricas con los correspondientes coeficientes que se considerarán positivos para los pro-ductos y negativos para los reactivos:

aA + bB ↔ cC + dD [2.6]

cC +dD – aA – bB = 0 [2.7]

∑i vi Ni = 0 i = 1,2,...n (n especies Ni ) [2.8]


52

Si existieran varias reacciones R simultáneas, en las que pueden concu-rrir algunas especies químicas N comunes y otras diferentes, se cumple:

∑i vji Nj = 0 i = 1,2,…,r (r reacciones Ri); j = 1,2,…n (n especies Nj) [2.9]

Un parámetro importante lo constituye el grado de avance de la reac-ción, conocido también como conversión extensiva X.

En una reacción que se considera (para simplificar) como:

A + bB ↔ cC

que se resuelve como [2.8] que, en principio, se supone que se desarrolla en un sistema cerrado (sin entradas ni salidas de materia del reactor) evo-luciona desde un tiempo inicial t=0 hasta el tiempo t=s de la siguiente ma-nera (coeficiente de A: a=1):

Xn b n

b

c n

cΔ Δ Δ Δn A A Aj

j= =

−=

−=−

ν 1

Figura 2.4

Aunque las variaciones de los números de moles de cada especie Δnj sea diferente se comprueba fácilmente (refiriéndose a ΔnA, por ejemplo) que el cociente entre dicha variación y el coeficiente estequiométrico para cada especie es coincidente y por lo tanto esta relación es independiente del componente de la reacción aunque s propia de ésta, denominándose grado de avance o conversión extensiva:

X

n nΔnj

j

j j

j

= =−

ν ν

0

[2.10]

De esta relación se deduce:

nj = nj 0 + vj X [2.11]

BALANCES DE MATERIA

53

Cuando se producen varias reacciones:

n n Xj j ij i

i

= +∑0 ν

[2.12]

También es muy importante el reactivo limitante que por ser el reacti-vo que antes se agota (es el reactivo cuya cantidad estequiométrica es la menor de todos) es el que limita el avance de la reacción. Referida a éste se utiliza la conversión relativa Xk que equivale a:

X

n n

nkk k

k

=−0

0

[2.13]

2.2.3. Aplicación a sistemas con reacciones de combustión

En la industria el tipo de reacción más utilizada es la combustión, una forma de oxidación, por ser a su vez la manera más común de obtener energía no solo en el ámbito doméstico sino también en el industrial.

Antes conviene precisar algunas cuestiones al respecto previamente al tra-tamiento, aunque solo sea somero, del balance de materia en estos sistemas.

En la mayoría de los casos, sobre todo si se trata de productos de natu-raleza orgánica, en una combustión se suele obtener vapor de agua y la forma oxidada, como por ejemplo, dióxido (o monóxido) de carbono. Los gases producto de la combustión, también gases residuales o gases de chi-menea, incluyen todos los gases que resultan de tal reacción, hasta el vapor de agua. A su composición se suele denominar base húmeda.

En el análisis de Orsat, un método de análisis químico de gases, el volu-men de los gases obtenidos en la combustión se mide en un recipiente ce-rrado con agua con lo que se establece un equilibrio entre los gases satura-dos de vapor de agua y la propia agua. A la hora de expresar los resultados netos del análisis se prescinde del agua en cada componente, con lo que la composición de los gases así obtenida, a una determinada temperatura y presión, se conoce como base seca o resultado análisis de Orsat.

El aire teórico es la cantidad de aire que se requiere incorporar al pro-ceso para conseguir una combustión completa. Si en su lugar se considera el oxígeno se habla de oxígeno teórico o requerido.


54

El reactivo en exceso es todo aquel que está en exceso respecto del reac-tivo limitante, siendo su porcentaje de exceso la cantidad (en porcentaje) en exceso respecto de la cantidad requerida para reaccionar con el reactivo limitante agotándolo.

El aire en exceso o el oxígeno en exceso sería la cantidad correspon-diente en exceso de la requerida para la combustión completa:

% aire en exceso = 100(aire entrante – aire requerido) / (aire requerido)

También:

% aire en exceso = 100(exceso de aire) / (aire entrante – exceso de aire)

Como el oxígeno se encuentra en un porcentaje fijo en el aire (21%), el aire en exceso coincide en porcentaje con el oxígeno en exceso:

% aire en exceso = 100(exceso de O2/(O2 entrante – exceso de O2) = % O2 en exceso

Se considera como ejemplo la combustión de 2 kg de gas hidrógeno H2 puro en un quemador al que entra 100 kg de aire seco (21% mol de O2) produciéndose su combustión completa y se pretende averiguar la canti-dad y composición del gas de salida.

100 kg aire (21% O2)

2 kg H2 100%

x H2Oy O2

z N2

p kg gasescombustión

Quemador

Figura 2.5

Se trata de un sistema (el quemador) con un proceso en estado estacio-nario con reacción.

Puesto que no existe acumulación, lo que sale es igual a lo que entra, por lo que si entran 100 kg de aire y 2 kg de combustible salen 100 + 2 = 102 kg de gases de combustión.

BALANCES DE MATERIA

55

La reacción estequiométrica es:

H2 + 0,5 O2 → H2O

Se pueden realizar los cálculos con moles, con lo que las cantidades de referencia se transforman (masas moleculares del H2 2 y del aire 28,9):

2 kg H2 equivalen a 2/2 = 1 kmol H2 .100 kg Aire equivalen a 100/28,9 = 3,46 kmol Aire

Se escoge como base de cálculo 1 kmol de H2 (2 kg H2).

Puesto que el aire está compuesto por 21% O2 y 79% N2, las cantidades en moles que entran en el quemador son:

3,46 kmol Aire = 0,21 × 3,46 + 0,79 × 3,46 = 0,73 kmol O2 + 2,73 kmol N2.

Por la ecuación estequiométrica 1 kmol de H2 consume al quemarse 0,5 kmol de O2, produciendo 1 kmol de H2O.

Finalmente el balance en moles para la base de cálculo es [acumulación nula, A = G + (E – S) = 0, por lo que S = E + G]:

(M: Masas moleculares)

Comprobación masa saliente=102kg ≅ 0,23× 2 + 2,73 × 28 + 1×18

Figura 2.6

2.3. BALANCE DE MATERIA EN SISTEMAS CON VARIAS UNIDADES

En general cualquier proceso industrial se compone de muchas unida-des y procesos interconectados. Estos casos se pueden analizar según con-venga trazando la frontera de tal manera que abarque el conjunto global del proceso industrial, con lo que se podrán obtener datos a su vez del con-junto. Pero si se pretende conocer más a fondo los detalles de las diversas


56

partes o unidades habrá que trazar las fronteras donde convenga analizan-do los correspondientes subsistemas.

De esta manera se subdivide un sistema en varios subsistemas que a su vez se pueden analizar de modo análogo al del sistema global u otros más senci-llos. La suma de los balances de los subsistemas, si se efectúa correctamente, debe dar el mismo resultado que el balance global del sistema en su conjunto.

MEZCLADOR

REACTOR

SEPARADOR

(5)

(2)

(6)

(3)

(1)

(4)

(7)

Diversos subsistemas en que se puede subdividir el sistema global (1), por ejemplo,(2), (3), (4), (5), (6), etc.

Figura 2.7

Según convenga, como se ve en la figura 2.7, puede un subsistema a su vez dividirse en otros. Pueden ser diversas unidades o equipos, unión de tuberías, combinación de dos o varios susbsistemas, etc.

2.4. SISTEMAS CON RECIRCULACIÓN, CON DERIVACIÓN Y CON PURGADO

La recirculación en los procesos con reacción corresponde a los reacti-vos cuando se ha alcanzado el equilibrio y acompañan a los productos. Se-parados de éstos, posteriormente se recirculan con el objeto de mejorar el rendimiento de la reacción, mediante el efecto de desplazamiento favora-ble del equilibrio como consecuencia del Principio de Le Chatelier al au-mentar la concentración de los reactivos.

También se recurre a la recirculación (o realimentación) en los procesos sin reacción con análogo objeto de mejorar el rendimiento. Por ejemplo,

BALANCES DE MATERIA

57

cuando un componente entre en exceso y, previa separación de los produc-tos a los que acompaña, vuelve a formar parte de la alimentación. Tal es el caso, del sistema formado por un evaporador y un cristalizador en serie. En él se concentra la disolución inicial por eliminación de parte del disolvente, mientras que el soluto cristaliza y es separado en forma de cristales.

DisoluciónDisolución

concentrada CristalesEVAPORADOR CRISTALIZADOR

Aguas madres

H2O

Figura 2.8

Cuando en el flujo de recirculación van también componentes que no intervienen en el proceso o en la reacción y por lo tanto no abandonan el sistema, hay que eliminarlos separándolos mediante un purgado conve-niente. La purga consiste en derivar parte de un flujo hacia el exterior con el fin de eliminar determinados componentes que al acumularse en el sis-tema disminuyen el rendimiento del proceso y en ocasiones puede consti-tuir un peligro por el riesgo de accidente.

En la figura 2.9 se indica un esquema de un proceso estacionario sin reacción química, con lo que la acumulación y la generación/consumo son nulos, y el balance global del sistema se reduce a la igualdad de cantidad de materia entre lo que entra y lo que sale.

Realimentación

MezcladorProcesador

Separador

PurgadorR

AB

C D

S

P

E

F

Figura 2.9


58

A nivel global las salidas son igual a las entradas: E + F + P = A + B. Si se analiza exclusivamente el procesador se tiene D = C. El balance sobre el mezclador facilita información sobre la recirculación: C = A + B + R. Y el balance sobre el separador nos da información sobre la recirculación antes del purgado: E + F + S = D Finalmente en el purgador: R + P = S.

En ciertos casos puede interesar que un flujo pase directamente a una unidad posterior del sistema sin intervenir en una o más etapas interme-dias, lo que se obtiene mediante una derivación. En otros se necesita sepa-rar un componente para que no interfiera en una etapa posterior o simple-mente para evitar una excesiva acumulación, realizándose mediante una extracción.

2.5. BALANCE DE MATERIA EN SISTEMAS DE VARIAS FASES

Cuando se desarrollan procesos en los que interviene más de una fase en el sistema, por ejemplo un flujo gaseoso y otro líquido que se cruzan en sentido contrario a través de una torre de absorción, puede facilitar los cálculos, realizarlos con balances de materia por grupos de átomos, coinci-dan o no con un grupo molecular, un ion o un compuesto dado, por ejem-plo el hidrógeno, bien libre o combinado formando parte del agua, de un ácido, de una base, etc.

2.6. BALANCE MACROSCÓPICO DE MATERIA EN RÉGIMEN NO ESTACIONARIO

El régimen no estacionario corresponde al estado en el que una propie-dad varía con el tiempo en un sistema en un determinado proceso u opera-ción. En estos casos el término del balance de materia referido a la acumu-lación no es nulo.

El estudio de este tipo de balances es muy importante ya que son mu-chas las operaciones básicas de carácter discontinuo o por cargas, así como los procesos semicontinuos, en los que aunque son alimentados con-tinuamente por determinados componentes y a su vez se descargan conti-nuamente los productos correspondientes, determinadas propiedades o ca-racterísticas no permanecen constantes al variar con el tiempo. También

BALANCES DE MATERIA

59

pertenecen a este grupo la puesta en marcha y la parada de los procesos continuos así como las alteraciones de su funcionamiento normal.

Sin embargo, en muchos casos, con excepción de la operación de carga y de la de descarga, no existen flujos ni de entrada ni de salida del sistema, con lo que la acumulación es igual a la generación/consumo: A = G, y:

d

dtm g Vi im

( ) =

[2.14]

2.6.1. Aplicación a una operación discontinua sin reacción química

Un caso de operación discontinua sin reacción química en régimen no estacionario puede ser la lixiviación de un mineral en un tanque al que en-tre carga y descarga se le aplica un agitador. La velocidad con que va disol-viendo (extracción) el componente soluble del mineral es directamente proporcional a la diferencia de su concentración instantánea respecto de la de saturación en las condiciones de temperatura de la operación, la cual se supone que se mantiene constante.

Si se parte de una masa m0 de mineral con un contenido de componen-te soluble de x% y con una cantidad d de disolvente, se verifica que en el tiempo t¼ se ha disuelto la cuarta parte y en el tiempo t½ se ha disuelto la mitad. Se trata de averiguar la concentración de la disolución saturada en tales condiciones de temperatura.

Se puede escoger como base de cálculo la cantidad d de disolvente, que si está expresada en litros, permite expresar fácilmente la concentración del componente soluble C en unidades de kg/L. Esta concentración varía, obviamente en este caso, con el tiempo hasta alcanzar la saturación Cs.

Si se aplica la expresión [2.14] al balance del componente disuelto, con V invariable, se obtiene (dividiendo por V):

dC

dtk C Cs= −( )

[2.15]

Esta expresión es una ecuación diferencial de primer orden en la que k es la constante de proporcionalidad enunciada en el planteamien-


60

to de este caso. Su integración, con la condición inicial t0 = 0 y C0 = 0, conduce a:

–ln(Cs – C) = kt – lnCs

ln

C

C Ckts

s −=

[2.16]

Sustituyendo los valores t¼ , C¼ , t½ , C½ ,se obtienen las correspondien-tes expresiones:

ln lnC

C Ckt

C

C Ckts

s

s

s−=

−=

14

14

12

12

Si se divide una expresión por la otra se obtiene la ecuación siguiente que puede resolverse por tanteo para obtener el valor de Cs buscado:

t

t

C

C C

C

C C

s

s

s

s

14

12

14

12

=−

−

ln

ln

[2.17]

2.6.2. Aplicación a una operación discontinua con reacción química

Existen casos análogos al anterior en los que se utiliza un reactor de tan-que agitado, provisto de un dispositivo de agitación, en el que se opera de manera discontinua mediante la secuencia carga de reactivos, reacción y des-carga de productos. Esto corresponde al cálculo y diseño de reactores, para el que hay que conocer las ecuaciones estequiométricas de las reacciones químicas que se producen y las ecuaciones de las velocidades de reacción co-rrespondientes a la cinética de estas reacciones fundamentalmente. Las cons-tantes de reacción pueden calcularse aplicando la ecuación de Arrhenius:

k = Ae–E / RT [2.18]

Para un caso en el que una especie química se convierte en otra (Ea → Eb) mediante una cinética de orden 1 se obtiene una expresión análo-

BALANCES DE MATERIA

61

ga a [2.15] y [2.16]. A medida que tanto la estequiometría como la cinética sea más compleja, el cálculo lógicamente crece mucho más en dificultad.

2.6.3. Aplicación a una operación continua

Un caso corriente de operación continua (o semicontinua) en régimen no estacionario es el de un mezclador en un tanque de homogeneización alimentado por dos flujos distintos simultáneamente, que mediante la ade-cuada agitación produce su mezcla homogénea que va extrayéndose de manera continuada.

Un caso más simple, resulta de partir inicialmente de una cantidad m0 (kg) de una solución acuosa de sal (salmuera) de una concentración deter-minada C0 (5 en masa) que ocupa parte del tanque mezclador. Se añade otra disolución acuosa de la misma sal más concentrada (por ejemplo, Cc = 2C0) mediante un caudal continuo constante Qme (kg/s). A la vez se extrae conti-nuamente del tanque un caudal de la mezcla homogénea Qms (kg/s) menor que el de entrada (por ejemplo, la mitad). Se plantea calcular la variación en función del tiempo de la cantidad de sal que hay en el tanque.

S. concentradaCc = 2C0

Qms = 1/2Qme

C1?

Qme

Mezcla

S. diluida m0 C0

mt? Ct?

Figura 2.10

En este caso no hay generación pero sí acumulación, por lo que el ba-lance de materia para la masa total de este sistema es:

G = 0; A = E – S

d

dtm Q Q Q Q Qt m m m m me s e e e

= − = − =1

2

1

2


62

Se integra esta expresión para unas condiciones iniciales t0=0 y m0 :

mt = ½ Qme t + m0 [2.19]

Esta expresión corresponde a la variación de la cantidad total (kg) de salmuera contenida en el tanque en función del tiempo que transcurre des-de que se comienza a alimentar con la solución concentrada.

El balance para la cantidad (kg) del soluto, la sal, [2.2] es, para concen-traciones en % masa {Ct = [(mi)t / mt] / 100} y caudales másicos, consideran-do que la concentración en el tanque homogeneizado coincide con la del flujo que sale:

d

dt(mi ) = Cie

Qme− Cis

Qms= 2C0 ×Qme − Ct ×

1

2Qme = 2C0 −

1

2Ct

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟Qme

d

dt(mi ) = 2C0 −

1

2Ct

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟Qme = 2C0 −

1

2

(mi )tmt

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟Qme

En esta última expresión se sustituye el valor de la masa total de la salmuera en el tanque en función del tiempo, mt , por su equivalencia se-gún [2.19] y se obtiene la expresión para la variación en función del tiem-po del contenido de sal en la salmuera del tanque, en forma de ecuación diferencial:

d

dt(mi ) = 2C0 −

1

2

(mi )t1

2Qmet +m0

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

⎛

⎝

⎜⎜⎜

⎞

⎠

⎟⎟⎟Qme

BALANCES DE MATERIA

63


1. Para obtener energía calorífica se quema en un reactor una mezcla ga-seosa cuya composición es 25% de metano, 30% de monóxido de car-bono y 45% de nitrógeno. Para su combustión se utilizan 320 kmol de aire por cada 100 kmol de la mezcla gaseosa. Calcular la composición de los gases de salida para el caso de una combustión completa.

2. En un lago de un volumen prácticamente constante de un millón de m3 llega la corriente de un río de un caudal de 10 m3/s contaminado con un contaminante determinado en una concentración de 10 mg/L. A ese mismo lago vierte una industria aguas residuales procedentes de su proceso productivo con un caudal de 0,5 m3/s y una concentración de 100 mg/L. Calcular la concentración del contaminante en la corriente de salida del lago en condiciones estacionarias y suponiendo la homo-geneidad del agua que contiene.

3. Un depósito de agua para regadío con una capacidad de 10 000 m3 se encuentra lleno hasta los ¾ con 5000 kg de materia orgánica en suspen-sión. Se introduce un flujo de agua limpia, sin materia orgánica alguna, con un caudal de 2000 m3/h mientras que sale para regar un caudal de 1200 m3/h. Se desea saber cuánta materia orgánica hay en el depósito al cabo de 2 horas.

4. En el quemador de una caldera se utiliza la combustión completa de un gas mezcla de hidrógeno y metano. El análisis de los gases de chimenea en base seca es: 84% N2; 10% O2 y 6% CO2. Interesa conocer la relación hidrógeno/metano en el gas combustible y la relación combustible/aire.


64


1. El esquema correspondiente al sistema y proceso de combustión es:

Aire320 kmol

Gases decombustión

x % H2Oy % CO2

z % O2

w % O2

Gas100 kmol

25% CH4 30% CO 45% N2

REACTOR

Las reacciones de combustión completa son (El nitrógeno no reacciona):

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

CO + ½O2 → CO2

CH4 +CO+ 2½O2 → 2CO2 + 2H2O

La composición del aire se supone de 21% de oxígeno y 79% de nitrógeno.

Se toma como base de cálculo 100 kmol de gas.

Se plantea la siguiente tabla:

kmol entrada consumo de O2 salida salida %

CH4 25 2 × 25 = 50 — —

CO 30 30 × 0,5 = 15 — —

O2 0,21 × 320 = 67,2 — 67,2 – 65 = 2,2 w = 0,54

N2 0,79 × 320 + 45 = 297,8 — 297,8 z = 73,53

H2O — — 50 x = 12,35

CO2 — — 30 + 25 = 55 y = 13,58

Total 320 + 100 = 420 65 405 100

BALANCES DE MATERIA

65

Los cálculos de consumo en la reacción y obtención de productos se ba-san en las relaciones estequiométricas de las reacciones de combustión. Finalmente los porcentajes en la composición de los gases de combus-tión se realizan con respecto a los moles totales resultantes en la com-bustión. Hay que subrayar que este número de moles totales que salen del sistema no tiene que coincidir con los totales de las dos corrientes que se aportan a la entrada, ya que lo que permanece constante es la cantidad total de masa, no teniendo porqué coincidir con la constancia total del número de moles que solo ocurrirá en los casos de procesos sin reacción y en aquellos con reacción en los que globalmente no haya va-riación del número total de moles en las relaciones estequiométricas. En el caso presente no hay variación del número de moles en la combustión del metano (3 – 3 = 0) pero sí la hay en la del monóxido de carbono (1,5 – 1 = 0,5).

x = 50 × 100/405 = 12,35%

y = 55 × 100/405 = 13,58%

z = 297,8 × 100/405 = 73,53%

w = 2,2 × 100/405 = 0,54%

2. Es importante ayudarse de un esquema como el siguiente:

10 m3/s = 104 L/s10 mg/L

Vertido0,5 m3/s = 500 L/s

100 mg/L

106 m3 = 109 Lx mg/L

No existe reacción (generación/consumo = 0) ni tampoco acumulación, por lo que S = E, la cantidad de materia que sale es igual a la cantidad de lo que entra al lago.

La base de cálculo es 1 s. Como las concentraciones de contaminante se refieren a un litro, se reconvierten las unidades a litros.


66

Se pueden realizar balances tanto de los caudales como de las concentra-ciones.

Se construye la siguiente tabla:

1 sentrada

salidarío vertido

Volumen (caudal) [L] 10 000 500 10 500

Cantidad contaminante (C × V) [mg] 10 × 10 000 = 100 000 100 × 500 = 50 000 150 000

Finalmente, la concentración a la salida del lago es:

Cs = 150000/10500 = 14,29 mg/L

3. En primer lugar se dibuja el esquema:

2000 m3/h

V0 = 7000 m3

(mi)0 = 5000 kg1200 m3/h

Hay dos balances de materia: el del agua de regadío y el de materia orgáni-ca en suspensión. Como entra más de lo que sale el volumen del agua contenida en el depósito no es constante; el contenido de materia orgánica varía disminuyendo; por lo tanto hay acumulación pero no generación/consumo ya que no se produce reacción alguna:

A = E – S

La base de cálculo se fija en dt.

BALANCES DE MATERIA

67

El balance para el agua es:

(dV/dt)dt = Qedt – Qsdt

dV = 2000 dt – 1200 dt = 800 dt

dV dtV t

7000 0

800

V – 7000 = 800t ∴ V = 800t + 7000

A las dos horas el contenido del depósito ha aumentado a V = 800 × 2 + 7000 = 8600 m3

En cuanto al contenido de materia orgánica (A = E – S):

dmi = 0 – Qs(mi/V)dt

dm

mQ

dt

Vi

is= −

Sustituyendo V por la expresión calculada en el balance de agua:

dm

m

dt

ti

i

= −+

1200800 7000

dm

m

dt

ti

i

mi

5000 0

2

128 70

lnmi = ln5000 – 12[ln(16 + 70) – (ln70)] = 8,52 – 12(4,45 – 4,25) = 6,12

mi = 454,9 kg

4. La base seca excluye el agua en el resultado de los análisis. Al ser una combustión completa la conversión es del 100%. El nitrógeno no reaccio-na. El esquema del proceso es:


68

84% N2

10% O2

6% CO2

Gases de chimenea

Aire

21% O2 + 79% N2

CH4 + H2

x + y %

Quemador

Se escoge como base de cálculo 100 mol de gas de salida.

Las ecuaciones estequiométricas de las reacciones de combustión que in-tervienen son:

H2 + ½O2 → H2O

CH4 + 2O2 → 2H2O + CO2

La cantidad de nitrógeno permanece inalterable. Para la base de cálculo (100 mol de gas de salida) salen 84 mol igual a lo que entra 84 mol. En el aire de entrada, por lo tanto, si 84 mol es el 79% de N2, para un 21% de O2 representa 84(21/79) = 22,3 mol O2 .

En el gas de salida hay 6 mol CO2, que corresponden exclusivamente a 6 mol de CH4 que se queman (relación estequiométrica 1:1). Estos moles de CH4 consumen el doble (relación 1:2), 12 mol, de O2.

El O2 que se consume en la combustión del H2 es la diferencia entre el entrante (22,3 mol) y el que se consume quemando CH4 (12 mol) más el que sale sin reaccionar en el gas de chimenea (10 mol): 22,3 – (12 + 10) = 0,3 mol. En consecuencia, la cantidad de que reacciona de H2 (H2 entran-te) es 0,3 × 2 = 0,6 mol.

Para mejor claridad y orden estos datos se colocan en una tabla como:

BALANCES DE MATERIA

69

% / mol combustible entra aire entra gas sale

H2 9,1% 0,6 — —

CH4 90,9% 6,0 — —

O2 — 21% 22,3 10% 10,0

N2 — 79% 84,0 84% 84,0

CO2 — — 6% 6,0

Total 100% 6,6 100% 106,3 100% 100

La relación H2/CH4 es: 0,6/6 = 0,1

La relación combustible/aire: 6,6/106,3 = 0,062

Tema 3

Balances de energía

3.1. Formas de energía. Balance total de energía

3.1.1. Formas de energía3.1.2. Ecuación general del balance macroscópico de

energía3.1.3. Balance macroscópico de energía en régimen

estacionario

3.2. Balances de energía en sistemas sin reacción química

3.2.1. Balances de energía en sistemas cerrados sin reacción química

3.2.2. Balances de energía en sistemas abiertos sin reacción química en régimen estacionario

3.3. Balances de energía en procesos con reacción química

3.3.1. Conceptos previos3.3.2. Balance de energía en procesos en estado estacionario

y ningún trabajo respecto el entorno

3.4. Balance macroscópico de energía en régimen no estacionario

3.5. Balances en procesos reales

3.6. Consideración de las entalpías de disolución y de mezcla

Ejercicios de autocomprobación

Solución de los ejercicios de autocomprobación

73

OBJETIVOS

Entendimiento y comprensión del concepto de balance de energía.•

Adquisición de conocimientos necesarios para resolución de balances de • energía, tanto sin como con reacción química.

Aplicación de los balances de materia a tipos de procesos reales concretos • de mayor frecuencia en la Ingeniería Química.

3.1. FORMAS DE ENERGÍA. BALANCE TOTAL DE ENERGÍA

3.1.1. Formas de energía

Como se advierte en el tema 1 (1.5.2), las formas de energía más fre-cuentes en los procesos objeto de la ingeniería química son la energía ciné-tica, la energía potencial, la energía interna, el calor y el trabajo. Las tres primeras son funciones de estado. Las dos últimas, que dependen del cami-no o evolución seguida, son funciones de trayectoria y se refieren a la trans-ferencia de energía entre un sistema y su entorno (energía en tránsito) sin que simultáneamente haya una transferencia de materia. A este respecto, conviene repasar todos estos conceptos que deben haber sido aprendidos en cursos anteriores.

La energía cinética es la referida al estado de movimiento de un objeto material con una determinada masa m en función de su velocidad v:

Ec = ½ mv2

Aplicada esta definición a un flujo de materia, corresponde sustituir la masa m por el caudal másico Qm.


74

La energía potencial está relacionada con la posición (z) de un objeto material de masa m respecto al campo gravitatorio:

Ep = mgz

Análogamente a lo expuesto para la energía cinética, esta definición aplicada a una corriente de fluido utiliza en lugar de m el valor de Qm.

La energía interna de un sistema o de un objeto es la suma de todas las energías, cinéticas y potenciales internas, de todas las partículas que lo conforman: cristales, moléculas, átomos y partículas subatómicas. No pue-de medirse directamente pero se puede calcular las diferencias o variacio-nes a partir de variables macroscópicas como la temperatura, presión, vo-lumen y composición. Así la variación de la energía interna referida a la unidad de masa, para una determinada variación de temperatura siendo cv la capacidad calorífica a volumen constante, es:

U U c dTv

T

T

− = ∫0

0

El calor es el flujo de energía que se transfiere a un sistema través de su frontera a causa de la diferencia de temperatura entre el entorno y dicho sistema. El calor fluye desde el punto más caliente al más frío, siendo posi-tivo si se aporta al sistema. Los mecanismos de transmisión son por con-ducción, convección y radiación.

El trabajo, como el calor, es una energía en tránsito que se transfiere a un sistema. El trabajo mecánico es realizado sobre el sistema por medio de la aplicación de una fuerza F con el resultado del desplazamiento ds de su frontera con el entorno. Si efectivamente es así, realización de trabajo so-bre el sistema, su valor es positivo y si es realizado por el sistema sobre el entorno, en este caso es negativo. Su expresión como trabajo mecánico de expansión es (presión p y volumen V):

W F ds p dVV

V

= ⋅ = −∫ ∫ur uru

( )

( )

∙1

2

1

2

También con carácter general, la transferencia de energía entre un sis-tema y su entorno puede residir en tres tipos de fenómenos:

Transferencia de energía simultánea a la transferencia de materia por • la cantidad de energía asociada a las cantidades de materia que intervienen.

BALANCES DE ENERGÍA

75

Flujo de calor por gradiente de temperatura entre el sistema y su en-• torno.

Trabajo mecánico por actuación sobre el propio sistema.•

3.1.2. Ecuación general del balance macroscópico de energía

En general, para realizar un balance de energía deben conocerse los da-tos referidos a los balances de materia, debiendo muchas veces resolver si-multáneamente ambos balances. Si bien, en ocasiones puede llevarse a cabo sucesivamente estos balances, lo que obviamente resultará más sencillo.

El balance de energía total o global se refiere a las distintas formas de energía y representa la generalización del Primer Principio de la Termodi-námica en los sistemas cerrados a los sistemas abiertos. Pueden plantearse balances de energía mecánica que exclusivamente se refieran a las energías cinética, potencial y trabajo, con un término que, en su caso, corresponda a la transformación a otras formas de energía.

Como regla general, para los balances de energía, en la expresión de la ecuación del balance indicada en el tema 1 (1.5.4), en concreto la expresión [1.2], el término [G] que se refiere a la generación/consumo, no tiene signifi-cado salvo que intervengan procesos nucleares, donde resulta relevante la transformación entre masa y energía. Por lo tanto, en un sistema conforme al esquema de la figura 12.1, para un flujo de materia de entrada a través de la superficie Se y un flujo de salida a través de Ss, el balance total de energía es:

[A] = [E] – [S] [3.1]

Ve

Ue Ece Epe

Us Ecs Eps

Se

Se

Vs

Q

W

Figura 3.1


76

Las ecuaciones generales de balance abordadas en el tema 1 (1.5.4), concretamente de las expresiones [1.6] y [1.7], se aplican al balance de energía considerando que en este caso C es la concentración (J/m3 ) con lo que se obtiene una expresión general para el balance de energía. La segun-da expresión es ahora:

A

d

dtC V S C Q C Qm i i

ie V s Ve s

= = − ⋅ + −∑( ) ( ) ( )φur

[3.2]

El primer miembro de esta última ecuación corresponde a la acumula-ción que, en general, corresponde a las tres formas de energía funciones de punto o de estado: interna, cinética y potencial. Ya se ha subrayado que el trabajo y el calor son formas en tránsito y, por lo tanto, carece de sentido su acumulación. Se consideran las energías totales en lugar de considerar-las por unidad de volumen:

A

d

dtU E Ec p= + +( )

[3.3]

El primer término del segundo miembro, que corresponde al mecanis-mo de difusión molecular de transferencia de energía a la entrada (Se) y a la salida (Ss), como puede ser el calor por conducción en esas secciones, se puede despreciar frente a la transferencia por el mecanismo de convección forzada de la propia circulación del fluido. Tanto a la entrada como a la sa-lida el correspondiente flujo de materia lleva asociadas las energías inter-na, cinética y potencial, a lo que hay que añadir el trabajo del propio fluido para pasar una cantidad de materia desde la entrada hacia el interior y desde éste hasta la salida, (peQve – psQvs), teniendo además en cuenta la cantidad total de calor Q aportada desde el exterior y el trabajo W realiza-do sobre el sistema mediante una bomba o compresor, por ejemplo. Con-siderando las energías específicas medias de estado (U

–, E

–c y E

–p), en unida-

des de energía por unidades de masa, queda por lo tanto, como expresión de la ecuación del balance macroscópico de energía:

d

dtU E E C Q C Q Q p Q p Q W

c p e V s V e V s Ve s e s

( ) ( )

( ) ( )U E E Q U E E Q Qe c p e v s c p s v

e e e s s s

( )p Q p Q We v s v

e s [3.4]


77

Hay que señalar que coherentemente Q y W vienen expresadas en esta ecuación en unidades de potencia (vatios), al igual que los demás términos.

Si se tiene en cuenta que el caudal másico es Qm = ρQv este segundo miembro de la ecuación es:

( ) ( )U E E U E E Q Q

p pe c p s c p m

e

e

s

s

e e s s ρ ρQ Wm

[3.4a]

3.1.3. Balance macroscópico de energía en régimen estacionario

En régimen estacionario, (A = 0; E – S = 0) y dividiendo por Qm y sus-tituyendo los valores de E

–c y de E

–p , se obtiene:

( ) ( ) ( )U U v v g z z Q

p pe s e s e s

e

e

s

s

1

22 2

ρ ρWW 0

[3.5]

En esta última expresión Q y W, como los demás términos, están en unidades de energía/masa (J/kg). Las velocidades v son los correspondien-tes valores eficaces de la velocidad de la corriente de fluido en la sección de entrada y en la de salida.

Como la entalpía H es igual a:

H = U + pV = U + p (m/ρ)

La entalpía específica (por unidad de masa) es:

H–

= U– + p/ρ

La ecuación del balance macroscópico de energía para régimen estacio-nario en función de la entalpía específica resulta:

(H–

e – H–

s) + 12 (ve

2 – vs2) + g(ze – zs) + Q + W = 0 [3.6]

Esta última ecuación es una expresión más del principio de conserva-ción de la energía (régimen estacionario) donde la suma de las entalpías,


78

de las energías cinéticas y potenciales más el aporte de calor al sistema y el trabajo realizado sobre él es nula.

3.2. BALANCES DE ENERGÍA EN SISTEMAS SIN REACCIÓN QUÍMICA

3.2.1. Balance de energía en sistemas cerrados sin reacción química

Cuando el sistema es cerrado no hay intercambio de materia con el en-torno. Tal es el caso de las operaciones discontinuas salvo los períodos de carga y descarga. En estos casos en lugar de considerar la sección de entra-da y la de salida, que no existen, se distingue el momento inicial y el final de la observación.

(Ui – Uf) + Q + W = 0

ΔU = Uf – Ui = Q + W [3.7]

Como se puede observar esta expresión es la tradicional del Primer Principio de la Termodinámica aplicado a un sistema cerrado. Además, coincide con la expresión del balance macroscópico de energía, correspon-diendo el primer miembro, ΔU, a la acumulación. Las energías cinética y potencial se desprecian frente a las otras variables.

Tal es el caso, por ejemplo (figura 3.2), de un gas encerrado en un cilin-dro con un émbolo (sin rozamiento) sobre el que se expande desde un vo-lumen inicial Vi hasta un volumen final Vf, desplazando la frontera. Si se realiza manteniendo la presión constante pi (transformación isobárica) el sistema realiza el trabajo Wpcte:

W p dV p V Vp V

V

i f ictei

f

= − = − −∫ ( )

[3.8]

En este caso el gas se calienta pasando de la temperatura Ti inicial a la Tf final, aumentando la energía interna, en consecuencia, a partir de parte del calor que absorbe del entorno (ecuación [3.7]).

Si la transformación es isoterma (Ti = cte), la presión disminuye hasta pf y no habrá variación de energía interna (Ui = cte, ya que no hay variación


79

P

Pi

Pf

Vi

Vi

Vf

Ti

Tf

Vf V

Figura 3.2

de la composición química, del estado de agregación y de la temperatura), siendo el trabajo realizado sobre el entorno igual al calor absorbido del mismo, que supuesto su comportamiento como gas ideal es:

W p dV

nRT

VdV nRT

V

VT V

V

iV

V f

icte

i

f

i

f

ln nRTp

pii

f

ln

[3.9]

(n = RTi / (piVi)

Hay que señalar que el calor recibido por el sistema del entorno es me-nor en la transformación isotérmica que en la isobárica (áreas bajo las tra-yectorias isoterma e isóbara, en la representación gráfica de presiones y volúmenes p,V).

Se advierte que además de las transformaciones o procesos isotérmicos y los isobáricos, existen los casos particulares de las transformaciones iso-córicas o isométricas, que transcurren a volumen constante y las adiabáti-cas que se desarrollan sin intercambio de calor entre el sistema y su entor-no (Q = 0), lo que implica que el sistema está térmicamente aislado o,


80

como aproximación, el calor Q puesto en juego es despreciable frente a los demás términos energéticos del balance de energía.

En la transformación adiabática, pVγ =cte, siendo γ el coeficiente adia-bático que es el cociente entre los calores específicos a presión y a volumen constantes, γ = Cp / Cv, el trabajo mecánico es:

W nRTp

pii

f

γγ

γγ

11

1

[3.10]

Una transformación intermedia entre la isotérmica y la adiabática es la politrópica en la que pVk = cte, estando comprendido el valor de k entre 1 y γ.

3.2.2. Balance de energía en sistemas abiertos sin reacción química en régimen estacionario

Como se sabe, en el sistema abierto hay transferencia de materia entre el entorno y el sistema a través de su frontera, en operaciones continuas o se-micontinuas, con o sin reacción química. Entre estás últimas se encuentran procesos ampliamente utilizados como el mezclado, la destilación, el seca-do, la absorción, la filtración, la vaporización, el intercambio de calor, etc.

Cuando el régimen es estacionario, (E – S = 0), se pueden aplicar las ecuaciones [3.5] y [3.6].

En los casos de simple corriente de fluidos por tuberías, suponiendo nula la transferencia de calor entre el sistema y el entorno, estas ecuacio-nes se reducen a:

12

(ve2 – vs

2) + g(ze – zs) + W = 0 [3.11]

Si se trata de bombear (con una bomba de una potencia W watios) un lí-quido (Qm en kg/h) a una determinada altura h, por ejemplo hasta un depó-sito con rebosadero para mantener constante el nivel, y se le transfiere calor Qc (kJ/h) (por ejemplo, agua caliente a mantener a una determinada tempe-ratura), pudiendo tener pérdidas hacia el entorno (constantes, Q' kJ/h), el balance de energía (proceso estacionario) corresponde a:


81

Qm

Te

Tf

ze = 0

zf = h

Frontera Q'

QW

Figura 3.3

La ecuación [3.6] se puede escribir como sigue (unidades energía por unidad de tiempo o potencia, kJ/h, por ejemplo):

(H–

e – H–

s) Qm + 12 Qm (ve

2 – vs2) + Qm g(ze – zs) + Q + W = 0 [3.12]

El término relativo a la variación de energía cinética es despreciable frente

a los demás (ve ≈ vs), por lo que 12

Qm(ve2 – vs

2) ≈ 0.

La variación de energía potencial es: Qmg(ze – zs) = Qmgh.

El balance de la energía transferida como calor es: Q = Qc – Q’

Finalmente se obtiene la siguiente ecuación para el caso considerado:

ΔH + Qmgh + Q + W = 0 [3.13]

Puede obtenerse ΔH a partir de los datos conocidos teniendo la precaución de que las unidades en que se expresen sean las mismas (Si utilizamos kJ/h, por ejemplo, el valor de W en watios habrá que convertirlo en kJ/h o al revés).

Conociendo ΔH y la temperatura de entrada Te puede calcularse la tem-peratura del agua de salida Ts suponiendo constante la capacidad calorífi-


82

ca del agua en el intervalo de temperaturas considerado Cp = 1 cal/(g · K) = 4,18 kJ/(kg · K) mediante:

H Q C dT Q C T Tm pT

T

m p s ee

s

( )

[3.14]

3.3. BALANCES DE ENERGÍA EN PROCESOS CON REACCIÓN QUÍMICA

3.3.1. Conceptos previos

Antes de acometer el balance de energía en aquellos procesos que trans-curren acompañados del desarrollo de reacciones químicas, conviene re-cordar previamente los conceptos básicos relacionados con los cambios de energía asociados a ellas.

La entalpía estándar de formación ΔHf0 de un compuesto es la ental-

pía de la reacción de la formación de un mol de ese compuesto a partir de los elementos que lo constituyen, bajo la forma estable en las condiciones estándar de 25 ºC (298 K) de temperatura y 1 atm de presión. A este res-pecto hay que recordar que convencionalmente la entalpía de formación de los elementos en las mismas condiciones estándar es igual a cero.

La entalpía específica de una sustancia i (referida a un mol) en función de la entalpía de formación estándar se calcula:

H H C dΔ Δ T V TV

Ti f p

T

ii

p

p

i i

0

298 1dp

[3.15]

Si hubiera un cambio de estado, habría que añadir el correspondiente calor latente y distinguir los diferentes valores del calor específico a presión constante Ci y volumen específico V–i para cada fase. En muchos casos la pre-sión no afecta significativamente al valor de la entalpía y por lo tanto el últi-mo término de la ecuación [3.15] puede anularse. También pueden utilizarse valores medios para Cpi por lo que la expresión se simplifica como sigue:

H H C Ti f pi i

= + −0 298( )ΔΔ [3.16]


83

Para un flujo con varias especies se calcula para la mezcla:

H n Hi i

i

=∑ ΔΔ

[3.17]

La entalpía estándar de combustión ΔHc0 de un compuesto determinado

es la entalpía de la reacción de combustión completa (reacción con el oxí-geno suficiente) de un mol de ese compuesto en las condiciones de referen-cia de 25 ºC de temperatura y 1 atm de presión.

La entalpía estándar de reacción ΔHr0 es la entalpía de la reacción en

las condiciones de referencia de 25 ºC de temperatura y 1 atm de presión, para una determinada ecuación estequiométrica. En general se suele refe-rir a un mol de un reactivo consumido o a un mol de producto obtenido.

Aplicando la Ley de Hess (la variación de entalpía de un sistema es inde-pendiente de la trayectoria o camino seguido entre el estado inicial y el final, siendo en el caso de la reacción química igual a la suma de las entalpías de los productos menos la suma de las entalpías de los reactivos) en función de las entalpías de formación la entalpía estándar de una reacción es:

H H Hr f prod f react

0 0 0= −∑ ∑( ) ( )Δ Δ Δ

[3.18]

Si se considera el caso general en el que unos reactivos a una tempera-tura inicial TR reaccionan para dar lugar a unos productos a una temperatu-ra diferente TP siempre podemos aplicar el siguiente esquema (de Van’t Hoff) en virtud de la Ley de Hess:

ΔH

ΔH1

ΔH2

ΔH3

ΔH = ΔH1 + ΔH2 + ΔH3

25º C 1 atm 25º C 1 atm

Reactivos Productos

ProductosReactivos

TR pR TP pP

Figura 3.4


84

La entalpía ΔH correspondiente puede calcularse recorriendo ficticia-mente el camino de pasar los reactivos de las condiciones TR pR a las están-dar (25 ºC, 1 atm) con una variación ΔH1 , efectuar la reacción en esas con-diciones estándar constantes con una entalpía ΔH2 = ΔHr

0 y finalmente pasar los productos de las condiciones estándar a las finales TP pP, con una variación ΔH3. Consecuentemente ΔH = ΔH1 + ΔH2 + ΔH3.

3.3.1. Balance de energía en procesos en estado estacionario y ningún trabajo respecto el entorno

A

B

C

D

TA

Q W = 0

TR

TB TD

TC

aA + bB cC + dD

REACTOR

Figura 3.5

Si se considera el sistema de carácter general, en régimen estacionario, de la figura 3.5, donde unos flujos de materia (reactivos y, en su caso, otros materiales no reaccionantes) entran en el sistema donde se produce una reacción (reactor) saliendo unos flujos con los productos (y en su caso, otros materiales que puedan estar presentes), se puede aplicar la ecuación general [3.6] con la simplificación resultante de considerar despreciables las variaciones de energías cinética y potencial respecto a las entalpías de reacción, además de suponer que en este caso no se produce trabajo entre el sistema y su entorno (W = 0):

He – Hs + Q = 0

ΔH = ΔHs – ΔHe = (ΔH)prod – (ΔH)react = Q [3.19]

Las entalpías de los flujos entrantes y de los flujos salientes se calculan con referencia a los valores estándar incluyendo junto con las entalpías de


85

formación estándar de todos los componentes, sus calores sensibles y sus calores latentes de cambio de estado. Aunque a veces es significativa la en-talpía de la operación de mezcla de los componentes, mientras no se ad-vierta lo contrario se considerará nula. También se considerará poco signi-ficativo el efecto de la presión sobre la entalpía [3.16].

H H C dTi f p

T

i i= + ∫0

298Δ Δ

[3.20]

En consecuencia, aplicando [3.19] para el caso de la figura 3.5 se obtiene:

H n H C dT n H C dTc f p

T

D f p

T

C C

C

D D

D

= +( ) + +( )∫ ∫0

298

0

298−

− +( ) + +∫n H C dT n H C dTA f p

T

B f p

T

A A

A

B B

0

298

0

298

BB

Q∫( ) =

Δ Δ Δ

Δ Δ

⎡⎢⎣

⎡⎢⎣

⎡⎢⎣

⎡⎢⎣

[3.21]

3.4. BALANCE MACROSCÓPICO DE ENERGÍA EN RÉGIMEN NO ESTACIONARIO

me Ue He

ms U

s H

s

Q W

Figura 3.6

Cuando se trata de sistemas con un proceso que implica una acumula-ción de energía en los mismos, la expresión del balance corresponde a la expresión [3.4] y [3.4a] con valor no nulo para la acumulación:

ddt

(U + Ec + Ep) ≠ 0


86

En general pueden despreciarse los términos referidos a las energías ci-nética y potencial frente al resto:

dUdt

≠ 0

Esta acumulación entre el instante inicial ti y el final tf, es en términos referidos al estado inicial y final:

ΔUtf – ti = meUe – msUs + me peVe – ms psVs + Q + W [3.22]

Esto significa que la variación de energía interna del sistema en el ins-tante final tf a partir del instante inicial ti, para una unidad de masa (varia-ción de masa o acumulación de masa Δm entre ambos instantes), es igual a la variación de energía interna U entre la entrada y la salida, más el tra-bajo del propio flujo pV (introducir y sacar materia), más el calor Q trans-ferido al sistema más el trabajo W realizado sobre él.

Agrupando en la anterior expresión H = U + pV, ΔH = ΔU + Δ(pV), se obtiene:

ΔUtf – ti = meHe – msHs + Q + W = –ΔHs – e + Q + W [3.23]

La expresión correspondiente en términos diferenciales es:

dUdt

= Qt + Wt – ΔH– · Qm [3.24]

U U Q W H Q dtt t t t mt

t

fii

f

− = + − ⋅∫ ( )Δ

[3.25]

En estas expresiones Qt es la tasa de transferencia de calor al sistema, Wt la tasa de trabajo ejercida sobre el sistema y Qm el caudal másico a la entrada y a la salida del sistema.

3.5. BALANCES EN PROCESOS REALES

En la realidad los procesos son más complejos, no obedeciendo exacta-mente a un modelo determinado ni cumpliendo completamente determina-das pautas. Generalmente los estudios teóricos se realizan sobre modelos


87

de comportamiento ideal sobre los que posteriormente se introducen de-terminados factores de corrección con el objeto de aproximarse a la reali-dad concreta.

Se suele suponer que se trabaja con procesos, por ejemplo, perfecta-mente continuos con arreglo a una determinada ley o pauta cuando en la realidad no se desarrollan completamente de ese modo. Los modelos teóri-cos suponen que muchos procesos son reversibles en los que se suceden infinidad de estados de equilibrio muy próximos entre sí, en cuya evolu-ción las desviaciones respecto a cada estado de equilibrio son extraordina-riamente pequeñas, en virtud de gradientes o fuerzas infinitesimales.

En los procesos reales, sobre todo en los industriales, las variables que los mueven son con valores finitos y diferencias finitas, con asimetrías en la geometría de los sistemas, en su composición, en los diversos factores que intervienen en su desarrollo y evolución, con condiciones de compor-tamiento no ideales (como el rozamiento, gases reales, cambios de fase bruscos, etc.), lo que conlleva que sean irreversibles.

La irreversibilidad significa que un proceso no llega a desarrollar todo lo que potencialmente, a partir de una situación inicial, debiera efectuar. En este sentido, existe una cierta degradación que conduce a que los resultados no alcancen los valores esperados (teóricos) que suelen ser las cantidades máximas correspondientes a las que se tiende sin llegar a alcanzarlas.

En el caso, por ejemplo, representado en la figura 3.2, un gas se expan-de contra una fuerza externa. Si a un lado y otro del émbolo se ejerce la misma presión (fuerza por unidad de área) no ocurrirá nada. Tan solo una pequeña diferencia provocará que el émbolo se desplace en el sentido de mayor a menor presión. La realidad se acercará más al modelo teórico ideal cuanto mejor se cumplan las condiciones de la hipótesis de dicho mo-delo: Que el gas se encuentre en condiciones muy próximas al comporta-miento ideal, que la evolución (expansión o compresión) sea extraordina-riamente lenta debido a incrementos muy pequeños de la presión que se suceden en intervalos de tiempo también muy pequeños, con rozamientos prácticamente nulos, sin turbulencias, etc. Sin embargo, en la realidad se producirán pérdidas por rozamiento entre el émbolo y las paredes del cilin-dro, se pueden inducir ciertas turbulencias, interviene significativamente la viscosidad, y tantas otros fenómenos generalmente no deseados o no considerados en el estudio teórico que siempre es una simplificación más


88

o menos aproximada de la realidad. En definitiva, el trabajo desarrollado es menor que el esperado por cálculos basados exclusivamente en el mode-lo teórico. El trabajo del proceso considerado reversible es el valor máximo ya que cualquier otro, resultado de un comportamiento irreversible, será menor en virtud de las correspondientes pérdidas.

Los procesos reversibles en cuanto suponen una sucesión de estados de equilibrio infinitamente próximos se denominan procesos cuasiestáticos.

Para valorar o medir el grado de reversibilidad o irreversibilidad de un proceso es muy útil el concepto de eficiencia. En el caso de desarrollo de trabajo mecánico como el del ejemplo referido anteriormente, de expan-sión y compresión, se definen dos tipos de eficiencia mecánica según se considere que el sistema realiza un trabajo sobre el entorno o que se aplica un trabajo sobre el sistema desde su entorno:

Eficiencia mecánica (1) ηm1 = (trabajo real realizado por el sistema so-bre el entorno en proceso irreversible)/(trabajo teórico realizado por el sis-tema sobre el entorno en proceso reversible)

Eficiencia mecánica (2) ηm2 = (trabajo teórico realizado sobre el sistema desde el entorno en proceso reversible)/(trabajo real realizado sobre el sis-tema desde el entorno en proceso irreversible)

También se define una eficiencia energética como ηe = energía útil sa-liente del sistema/energía aportada al sistema.

La eficiencia global de un sistema es el producto de las eficiencias de los trabajos y energías aportados al sistema y provenientes del mismo.

Por otra parte, hay que tener en cuenta que según qué tipos de energía estén en juego podrán en mayor o menor medida transformarse en otro tipo, de acuerdo con el Segundo Principio de la Termodinámica. Así, por ejemplo, la energía interna y el calor no pueden transformarse por comple-to en trabajo mecánico.

Para estos casos el balance de la energía mecánica exclusivamente de un sistema con transferencia de materia con su entorno en estado estacio-nario se expresa para una unidad de masa:

( )E E Vdp W Ec p p

p

Ue

s

+ + − + =∫ 0Δ

[3.26]


89

Esta expresión se conoce como ecuación de Bernouilli, donde el primer tiempo se refiere a la variación de energías cinética y potencial entre la sa-lida y la entrada, el segundo el trabajo interno del fluido para conducir la materia desde la presión de entrada a la de salida, W el trabajo realizado sobre el sistema desde el entorno y EU la pérdida de energía mecánica por irreversibilidad del flujo que se convierte en energía interna. Todas ellos expresados en esta ecuación por unidad de masa. Cuando el proceso se considera completamente reversible, EU = 0

3.6. CONSIDERACIÓN DE LAS ENTALPÍAS DE DISOLUCIÓN Y DE MEZCLA

Cuando en un sistema considerado existen varios componentes que constituyen una disolución, una aproximación generalizada es la de consi-derar que constituyen una disolución o una mezcla ideal. Así las capacida-des caloríficas (o calores específicos) de las mezclas o disoluciones ideales son en función de las individuales de cada uno de sus componentes exacta-mente a su suma ponderada según la fracción molar o de masa xi:

(Cp)mezcla = ∑i xi Cpi

[3.27]

Igualmente ocurre con las entalpías:

(ΔH–)mezcla = ∑

i xi ΔH

–i [3.28]

En los casos en fase gaseosa la mezcla de gases puede considerarse como mezcla o disolución ideal.

Pero en los casos de fase líquida, especialmente si los componentes son muy diferentes, puede ocurrir que en la operación de disolución o mezcla se desprenda o absorba calor, con lo que en una mezcla o disolu-ción real se tiene:

ΔH0real = ∑

i ΔH0

i + ΔH0mezclado [3.29]

La entalpía estándar ΔH0mezclado de mezcla (o mezclado) es la variación

de entalpía en condiciones estándar (25 ºC y 1 atm) por unidad de masa


90

durante la operación de mezclado o disolución. Su valor se obtiene experi-mentalmente para diversas cantidades de disolvente añadidas a una uni-dad de masa o cantidad de materia del soluto (por ejemplo, un mol). En los casos de un soluto disuelto en el seno de un disolvente se suele denomi-nar calor de disolución. Este calor aumenta conforme se añade al soluto más cantidad de disolvente. Este aumento se aminora conforme la propor-ción de disolvente aumenta hasta que llegada una concentración práctica-mente llega a un límite (asintóticamente). En estas condiciones la disolución se halla a dilución infinita, correspondiéndole el valor límite denominado calor de disolución a dilución infinita.


91


1. Calcular el trabajo desarrollado durante una expansión isotérmica re-versible en un sistema cerrado con 450 moles de etileno (gas) desde unas condiciones iniciales de 40 ºC y 50 atm hasta 1 atm.

2. En un horno de un determinado proceso se quema fuel. Con el fin de aho-rrar energía se aprovecha la de los gases calientes resultantes de la com-bustión haciéndolos circular por un intercambiador de calor para pre-calentar el aire fresco que se introduce en el citado horno. En este intercambiador, los gases calientes y el aire no se mezclan ya que unos circulan por el interior de unos conductos tubulares y el aire a su través por el interior de la carcasa rodeando externamente los citados tubos. Se desea calcular la variación de entalpía de los gases de combustión tras pa-sar por el intercambiador, sabiendo que su composición es en términos mo-lares: 6% O2, 7% CO2, 14% H2O y 73% N2 y que su caudal es 3,15 · 105 m3/h a una presión constante de 100 kPa y desde una temperatura de 527 ºC hasta 117 ºC. Las entalpías molares a estas temperaturas son:

ΔH (J/mol) a 117 ºC a 527 ºC

O2 3946 16564

CO2 3404 23710

H2O (v) 3456 18823

N2 4511 15756

Gases decombustiónenfriados

Gases de combustión

HORNOAire

precalentado

Intercambiador

Aire fresco

Fuel

117 oC 527 oC


92

3. En un proceso de reformado del metano con vapor de agua se obtiene hidrógeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono, en el que el ba-lance de materia es el que se indica en el cuadro adjunto, para una tem-peratura de flujo de entrada y de salida de 25 ºC y a la presión de una atmósfera. Calcúlese la entalpía de reacción, en las mismas condiciones de temperatura y presión, correspondiente a este proceso globalmente considerado, partiendo de los datos conocidos de las entalpías estándar de formación.

ΔHf0 (kcal/mol) Entrada (mol) Salida (mol)

CH4 –17,9 1 0,25

H2O –68,3 2 1

H2 0 — 2,5

CO2 –94,0 — 0,25

CO –26,4 — 0,5


93


1. Se aplica la ecuación [12.9]:

W nRTp

pTcte i

i

f

ln , ln450 1 987 31350

11 094 854

450 8

. .

ln

cal

W nRTp

pTcte i

i

f

,, ln . .314 313 50 4 581 084 J

Es un trabajo que realiza el sistema contra el entorno. Utilizando R = 1,987 cal/(mol · K) se obtiene el valor del trabajo de expansión en calorías y con R = 8,314 J/(mol · K) en julios.

2. Los gases de combustión no se mezclan con el aire en el intercambiador. Tan solo hay una transferencia de calor desde el flujo caliente de los gases de combustión que circulan por el haz de tubos en el interior del intercam-biador hacia el aire frío que circulando en el interior de la carcasa del inter-cambiador rodeando los tubos interiores se calienta previamente a su en-trada en el horno. Por lo tanto el subsistema a considerar es exclusivamente el relativo al flujo de los gases de combustión a través del intercambiador. Se escoge como base de cálculo 1 hora y se supone un comportamiento de gas ideal, por lo que la composición en moles y el número total de estos es:

pV = nRT n=pV/(RT) = 100000 × 3,15 · 105/(8,314 × 800) = 4,736 · 106 mol

ΔHi = ni (ΔH–

390i – ΔH

–800i

)

ni = yi · n

ΔH = ∑i ΔHi

ΔH–

i (J/mol) a 117 ºC a 527 ºC yi ni ΔHi

O2 3946 16564 0,06 0,28 · 106 –3533

CO2 3404 23710 0,07 0,33 · 106 –6701

H2O (v) 3456 18823 0,14 0,66 · 106 –10142

N2 4511 15756 0,73 3,46 · 106 –38908

Total 1,00 4,73 · 106 –59284


94

Como se puede observar se realiza un balance para cada componente (no hay reacción química en el subsistema considerado) y finalmente se suma para obtener la variación de entalpía del conjunto de gases en julios (J) por cada hora. Hay que ser muy ordenados en el desarrollo de los cálculos manteniendo en todo momento la coherencia tanto en las dimensiones como en las unidades utilizadas.

3. Las reacciones que tienen lugar son las siguientes:

CH4+ 2H2O → CO2 + 4H2 [1]

CH4+ H2O → CO + 3H2 [2]

De los datos del balance de material se deduce que para cada mol de me-tano que se trata, 0,25 mol da lugar a la producción de CO2 y 0,5 a la de CO, lo que significa que la reacción primera interviene «la mitad» que la segunda.

Aplicando la expresión [12.18]: ΔHr0 = ∑(ΔHf

0)prod – ∑(ΔHf0)react se obtiene

para cada reacción:

ΔH0[1] = [(–94) + 4(0)] – [(–17,9) + 2(–68,3)] = 60,5 kcal/mol CH4

ΔH0[2] = [(–26,4) + 3(0)] – [(–17,9) + (–68,3)] = 59,8 kcal/mol CH4

Por lo tanto, para un mol inicial de metano, en el que 0,25 reaccionan por el mecanismo [1] y 0,5 por el [2], se obtiene finalmente para el proceso global en las condiciones estándar:

ΔH = 0,25 ΔH0[1] + 0,5 ΔH0

[2] = 0,25 × 60,5 + 0,5 × 59,8 = 45,0 kcal/mol CH4

Podría calcularse de otra manera con la siguiente tabla representativa del balance de materia y energía:


95

ΔHf0

(kcal/mol)Entrada

(mol)Entrada (kcal)

Salida (mol)

Salida (kcal)

CH4 –17,9 1 1(–17,9) 0,25 0,25(–17,9)

H2O –68,3 2 2(–68,3) 1 1(–68,3)

H2 0 — — 2,5 2,5(0)

CO2 –94,0 — — 0,25 0,25(–94)

CO –26,4 — — 0,5 0,5(–26,4)

Total –154,5 –109,5

Por lo que nuevamente ΔH = ΔHs – ΔHe = (–109,5) – (–154,5) = 45 kcal

Tema 4

Fundamentos de las operaciones básicas de la Ingeniería Química

4.1. Mecanismos de transferencia molecular y turbulenta

4.2. Ecuaciones de velocidad de la transferencia molecular

4.3. Transferencia turbulenta

4.3.1. Coeficientes individuales de transferencia4.3.2. Coeficientes globales de transferencia

4.4. Clasificación de las operaciones básicas de ingeniería química

4.4.1. Concepto de operación básica4.4.2. Clasificación de las operaciones básicas4.4.3. Breve descripción de las principales operaciones

básicas

99

OBJETIVOS

Conocer, comprender y aplicar los principios y leyes de los mecanismos de • transferencia o transporte.

Conocer, comprender y aplicar las ecuaciones de velocidad de la transferen-• cia molecular.

Conocer, comprender y aplicar los conceptos y parámetros básicos de la • transferencia turbulenta.

Comprender el concepto de operación básica así como la clasificación de • sus diversos tipos.

Conocer las principales operaciones básicas en su conjunto previamente a • su estudio en mayor profundidad.

4.1. MECANISMOS DE TRANSFERENCIA MOLECULAR Y TURBULENTA

En la Unidad 1 (1.3.4) se define la transferencia o transporte de una pro-piedad extensiva como el fenómeno que implica una variación de dicha propiedad de un punto a otro, por desplazamiento a través de la frontera del sistema o subsistema considerado. En ingeniería química se consideran tres transferencias: de materia, de energía y de cantidad de movimiento.

Las transferencias de estas propiedades pueden tener lugar tanto en fluidos (ya sea en reposo o en movimiento) como en sólidos o en ambos ti-pos de medios a la vez.

En la mayoría de los casos que se presentan en la industria, estos tres fenómenos de transferencia se desarrollan simultáneamente. El mecanis-


100

mo controlante (1.6) como fenómeno más lento es quien determina en es-tos casos la velocidad global del conjunto del proceso. No obstante, en una primera aproximación en su estudio se consideran de manera separada.

En la citada Unidad 1 ya se menciona (1.6), de manera muy general, los mecanismos de los fenómenos de transferencia, sobre los que ahora se in-cide un poco más, sin pretender superar los objetivos de este curso, dado que lo tratado hasta ahora corresponde esencialmente al nivel macroscópi-co con los balances de materia, energía y cantidad de movimiento. Deter-minados aspectos requieren ser tratados más allá de este nivel, tratándolos al nivel microscópico e incluso al nivel atómico-molecular. Por lo tanto es interesante, aunque sea en un grado elemental, profundizar en estos fenó-menos incidiendo en los mecanismos que los gobiernan y describen con más detalle que los estudios globales del nivel macroscópico.

Volviendo a tratar estos fenómenos de modo genérico, como en la Uni-dad 1, la velocidad con la que tiene lugar la transferencia de cualquiera de las tres propiedades extensivas se expresa normalmente como flujo de pro-piedad, siendo (1.6.1) la cantidad de propiedad por unidad de área y de tiempo que atraviesa una superficie en función del gradiente de concentra-ción de la propiedad existente, por la evolución espontánea de los sistemas hacia un estado de equilibrio, o por medio del transporte másico a causa del estado de movimiento del fluido (1.3.4).

Los mecanismos de la transferencia de las tres propiedades son análogos aunque no idénticos, ya que en el caso de la cantidad de movimiento la con-centración es una magnitud vectorial (ρv

r) mientras que en los otros dos ca-

sos son escalares [masa (ρ) y energía (ρCpT)]. Además la transferencia de ma-teria solo puede tener lugar en sistemas de dos o más componentes mientras que las otras dos pueden darse en sistemas de un solo componente o más.

Los fenómenos de transferencia pueden ser debidos a:

La existencia de un gradiente de las concentraciones (transferencia • molecular, por difusión de moléculas).

La existencia de un flujo de materia en virtud del movimiento de un • fluido (transferencia másica, por desplazamiento material, en super-posición o no a la transferencia debida al gradiente).

La existencia de desplazamientos aleatorios de grupos de moléculas • (transferencia turbulenta).

FUNDAMENTOS DE LAS OPERACIONES BÁSICAS DE LA INGENIERÍA QUÍMICA

101

En los casos de desplazamiento de materia (corriente o flujo de un flui-do) el mecanismo de la transferencia de cualquiera de las tres propiedades depende de que el régimen sea laminar (transferencia molecular) o sea tur-bulento (transferencia turbulenta). Por otra parte la transferencia de ener-gía (salvo por radiación) y la transferencia de cantidad de movimiento ne-cesitan un sistema con materia en movimiento, pudiendo producirse o no, simultáneamente, la transferencia de materia (Unidad 1, 1.6).

4.2. ECUACIONES DE VELOCIDAD DE LA TRANSFERENCIA MOLECULAR

En la Unidad 1 (1.6.1) se describió los mecanismos correspondientes a la transferencia molecular, la cual se produce en fluidos en régimen lami-nar de acuerdo con el mecanismo citado en el apartado anterior (4.1) y en la Unidad 1 (1.6.1).

En la Unidad 1 se definió el flujo de propiedad Φ (1.6.1) señalando la relación de proporcionalidad directa con la diferencia de concentración de la propiedad o gradiente, que constituye la fuerza impulsora del fenómeno de transferencia:

Φ = k · ΔC [4.1]

Φ = ΔC/R [4.2]

En esta última expresión, que con la anterior [4.1] constituye la Ley de Velocidad de Transferencia, R es la resistencia a la transferencia. Hay que advertir la analogía con la Ley de Ohm para la electricidad, I = ΔV/R, don-de la intensidad de corriente eléctrica I se corresponde con el flujo de pro-piedad, ΔV es el gradiente o diferencia de potencial eléctrico y R la resis-tencia eléctrica del medio.

Para la transferencia de materia de un componente A determinado, si NA es el flujo de materia de dicho componente A (masa o cantidad de ma-teria por unidad de tiempo y por unidad de área) que se difunde en una di-rección determinada z, el gradiente que lo produce, dCA/dz (siendo CA: la densidad ρA o la concentración molar MA) y la constante de proporcionali-dad la difusividad DA, la Ley de Fick, válida para mezclas de dos o más componentes para la transferencia de ese componente A con un determi-


102

nado gradiente en el seno de un fluido en reposo o en una corriente en ré-gimen laminar, tiene como expresión:

NA = – DA dCA

dz [4.3]

Si la cantidad de materia se expresa en moles resulta ser:

NA = – DA dMA

dz [4.4]

Si la cantidad de materia se facilita como masa en kg, entonces es:

nA = – DA dρA

dz [4.5]

La generalización de la Ley de Fick para una determinada dirección (x,y,z) es:

r u ruuun D

d

dx

d

dy

d

dzDA A

A A AA A

ρ ρ ρρ

[4.6]

Las unidades de la difusividad o coeficiente de difusión molecular DA del componente A son m2/s, determinándose experimentalmente sus valo-res en función de la presión y la temperatura.

En cuanto a la transferencia de energía, la Ley de Fourier se refiere al mecanismo de conducción (la radiación no está asociada al movimiento de la materia y la convección corresponde al régimen turbulento), siendo el flujo de energía q, que atraviesa un fluido en régimen laminar o en reposo o, en su caso, un sólido, en J/m2s, dT/dz el gradiente de temperatura en una dirección determinada y la constante de proporcionalidad k, la conductivi-dad calorífica del fluido (en reposo o en régimen laminar) o, en su caso, del sólido. La correspondiente ecuación es:

qz = – k dTdz

[4.7]

La expresión generalizada para cualquier dirección es:

r u ruuq k

dT

dx

dT

dy

dT

dzk T

[4.8]


103

Las unidades de k, que también se denomina conductividad térmica, son W/m × K. Sus valores son función del material y su estado físico.

Si se utiliza la difusividad térmica, α = – k kρcp

, se obtiene la siguiente ecuación:

qz = – α d(ρcpT)

dz [4.9]

Para la transferencia de cantidad de movimiento, el flujo de ésta o es-fuerzo cortante en un fluido (entre dos láminas de fluido paralelas muy próximas entre sí, como en la figura 1.4) para mantener el régimen lami-nar viene fijado por la Ley de Newton:

τzx = – μ dvx

dz [4.10]

En este caso, el esfuerzo cortante τzx, en N/m2 (dimensiones de pre-sión), produce el gradiente de velocidad dvx/dz, en una relación de pro-porcionalidad directa en la que la constante μ es la viscosidad del fluido. Su valor se expresa comúnmente en cP (centipoises) aunque en el Siste-ma Internacional la unidad es el Pa · s (Pascal-segundo) que equivale a 10 P (decapoise). La viscosidad (o viscosidad dinámica) es característica de cada fluido y su valor depende de la presión y de la temperatura. La viscosidad cinemática es v = μ/ρ siendo sus unidades m2/s, las mismas que la difusividad.

Se suele utilizar las relaciones entre las difusividades de los mecanis-mos de transferencia de las tres propiedades mediante cocientes que cons-tituyen los siguientes números adimensionales:

Número de Prandtl, Pr, cociente entre la viscosidad cinemática (difusi-vidad de la cantidad de movimiento) y la difusividad térmica:

Pr =

vα

= μcp

k [4.11]

El Número de Schmidt, Sc, es el cociente entre la viscosidad cinemáti-ca y la difusividad de materia:

Sc =

vDA

= μρDA

[4.12]


104

El Número de Lewis, Le, es el cociente entre la difusividad térmica y la difusividad de materia:

Le = αDA

= kρcpDA

[4.13]

Estos tres Números, adimensionales, dependen de la temperatura y de la presión.

4.3. TRANSFERENCIA TURBULENTA

En la unidad 1 ya se trató en qué consiste el régimen turbulento de una corriente (1.6.2) basado en un movimiento desordenado y aleatorio de gru-pos de moléculas en remolinos que se superpone al propio desplazamiento global del fluido.

La cuestión en este caso es mucho más compleja y hay que recurrir a parámetros empíricos denominados coeficientes de transferencia.

4.3.1. Coeficientes individuales de transferencia

Si se plantea en un sistema una transferencia de propiedad extensiva entre dos fases inmiscibles a través de la superficie entre fases, por ejem-plo, una corriente turbulenta en fase gaseosa (vapor) y en contacto con una fase líquida, provocada por un gradiente de concentración de pro-piedad, tal como se señala en el esquema de la figura 4.1, se encuentra que debido a la diferencia de esta concentración entre un punto y otro, se establece un caudal diferencial dQ a través de un elemento diferencial de la superficie interfases dS, que es proporcional al área de esta super-ficie y a la diferencia de concentración entre tal superficie interfases y el seno del fluido.

Esta relación puede quedar representada por la siguiente expresión:

dQ = εx dS(C0 – C) [4.14]

donde εx es el coeficiente individual de transferencia local, significando por individual que corresponde a una sola fase y por local que se refiere a un punto en concreto.


105

zC

C0

V

L

dS

z

x

dx

Figura 4.1

Cuando la superficie entre fases es finita, S, se puede calcular el caudal medio de la propiedad extensiva que se transfiere en función del coeficien-te individual de transferencia medio ε:

Qm = ε S(C0 – C)m [4.15]

Siendo la fuerza impulsora (C0 – C)m la diferencia media de concentra-ciones.

Particularizando a la transferencia de materia existen varias posibilida-des, tomando como punto de partida la ecuación [4.15]:

qA = kρ S (ρA0 – ρA) [4.16]

QA = kc S (MA0 – MA) [4.17]

nA = qA/S = kρ (ρA0 – ρA) [4.18]

NA = QA/S = kc (MA0 – MA) [4.19]

Las correspondientes unidades en el Sistema Internacional son para qA, kg A/s, para QA, mol A/s, para nA, kg A/(s · m2) y para NA, mol A/(s · m2).


106

Cabe la posibilidad de enfocar estos problemas considerando otras ex-presiones de la fuerza impulsora como, por ejemplo, el gradiente de frac-ciones molares o las diferencias en presiones parciales cuando se trata de fases gaseosas. En todos estos casos consecuentemente se utilizarían los correspondientes coeficientes de transferencia y sus unidades, estando to-dos ellos relacionados mediante fórmulas más o menos sencillas.

Para la transferencia de energía las ecuaciones a considerar son:

Q = hS (T0 – T) [4.20]

q = Q/S = h (T0 – T) [4.21]

Donde h es el coeficiente individual de transmisión de calor para la fase en J/(m2 · s · ºC), que depende de las propiedades del fluido y del flujo, del gradiente de temperaturas y de la geometría del sistema.

En cuanto a la transferencia de cantidad de movimiento la ecuación es un tanto diferente:

τ = – 12 f ρv2 [4.22]

En este caso v0 es nula (ya que es en la misma interfase, z = 0), τ es el es-fuerzo cortante de rozamiento en la misma interfase (en N/m2), proporcional a la energía cinética del fluido, y f es el factor de rozamiento (adimensional).

Todos estos coeficientes individuales pueden calcularse por uno de los siguientes procedimientos:

Mediante análisis dimensional a partir de datos obtenidos experimen-• talmente.

Por analogía entre los tres tipos de transferencias.•

Aplicando las ecuaciones correspondientes a la teoría de la capa límite.•

4.3.2. Coeficientes globales de transferencia

En el caso de dos fases fluidas en movimiento relativo una respecto a la otra (figura 4.2) que no estén en equilibrio una respecto a la otra se produ-cirá una transferencia de propiedad extensiva debido al gradiente de su concentración, con la resistencia a la misma en cada fase y en la propia su-


107

perficie interfases, aunque en este último caso generalmente se alcanza de inmediato el equilibrio, por lo que se puede despreciar.

V

L

z

z

x

dSCL

C0

CV

dx

Figura 4.2

En estado estacionario la disminución de caudal de una propiedad en una fase es igual al incremento del mismo en la otra. Partiendo de [4.14] se obtiene:

–dQV = dQL = dQ = εV dS (CV – C0) = εL dS (C0 – CL) [4.23]

dQC C

dS

C C

dS

C C

dS dS

V

V

L

L

V L

V L

=−

=−

=−

+

0 0

1 1 1 1ε ε ε ε

[4.24]

dQ dS C CC C

dS

V LV L= − =−

ξ

ξ

( )1

[4.25]

En la última expresión queda definido el coeficiente global de transferen-cia ξ de una propiedad extensiva, relacionado con una fuerza impulsora


108

global para las dos fases sin necesidad de conocer las condiciones de la in-terfase, que en función de los coeficientes de cada fase es:

ξ

ε ε

=

+

11 1

V L

[4.26]

4.4. CLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES BÁSICAS DE INGENIERÍA QUÍMICA

4.4.1. Concepto de operación básica

En la Unidad 1 se trató el concepto de operación básica u operación unitaria en una primera aproximación (1.3.5). Estas operaciones son transformaciones o etapas de un proceso sencillas que se basan en re-glas físicas o fisicoquímicas. En general, en los procesos que implican reacciones químicas, su objetivo es la preparación y puesta en contacto de los distintos componentes y fases conducentes al desarrollo de los mecanismos de transferencia de materia, de energía y de cantidad de movimiento y de las propias reacciones químicas así como de la separa-ción y depuración de los componentes y fases resultantes como produc-to del proceso.

Por lo tanto una operación básica se corresponde con una etapa indivi-dualizada de cualquier proceso con una determinada función específica en interconexión con las demás operaciones. Estas operaciones se basan en principios comunes a cada tipo y suelen desarrollarse en dispositivos más o menos análogos, denominados unidades de proceso, con independencia del proceso global en sí y de los componentes que intervengan.

4.4.2. Clasificación de las operaciones básicas

En general, independientemente de los procesos tradicionales basados en una reacción química de obtención de unos productos a partir de unos reactivos, sin olvidar los procesos de depuración ambiental, de higiene in-dustrial y otros análogos, el esquema de un proceso se puede simplificar de la siguiente manera (figura 4.3):


109

Mat

erias

prim

as

Operacionesbásicas depreparación

Mezclado Reacciones SeparaciónOperaciones

finales

Productos finales

Figura 4.3

Como se puede observar, el proceso genéricamente representado se puede descomponer en diversas etapas que a su vez son operaciones bási-cas necesarias para que tal proceso se desarrolle con la mayor eficiencia posible respecto de los objetivos perseguidos.

En general, todos estos tratamientos de la materia que forman parte de un proceso químico se refieren a los tres tipos de fenómenos de transfe-rencia que se han tratado: transferencia de materia (con modificaciones de la composición y la masa), de transferencia de energía (variaciones de temperatura, calor, presión, etc.) y de transferencia de la cantidad de mo-vimiento (modificaciones en el estado de movimiento, velocidad, direc-ción, etc.). Aunque en la mayoría de las operaciones básicas se pueden presentar más de un tipo de estas tres transferencias (en general, las tres a la vez), se suele escoger como criterio para la clasificación de las opera-ciones básicas (físicas o fisicoquímicas) el de aquella transferencia que sea predominante o más importante para cada una, por ser la controladora de su desarrollo (o en su caso, subagrupándolas por la combinación de dos tipos de transferencia, por ser controladas por estas dos). Este es también el criterio que se sigue en la descripción de las principales operaciones en las unidades 5 y 6.

Además de las operaciones básicas físicas, se consideran las operacio-nes básicas químicas objeto de la parte esencial del proceso químico: la reacción química (o reacciones químicas), que suele llevarse a cabo en un reactor químico, lo que se tratará en la unidad 8. También se distin-guen los procesos químicos unitarios o básicos, que son tipos de reaccio-nes o conjuntos de reacciones que tienen por objeto introducir o eliminar un elemento (por ejemplo hidrógeno, oxígeno, halógeno o un grupo fun-


110

cional: alquilo, arilo, hidroxilo, nitro, etc.). Tales procesos químicos bási-cos son la hidrogenación o deshidrogenación, alquilación, aromatización, carbonilación, nitración, oxidación, fermentación, esterificación, electró-lisis, etc.

También pueden clasificarse las operaciones básicas según el modo de operar en operaciones continuas, discontinuas y semicontinuas, en régi-men estacionario o no estacionario (operaciones intermitentes), que se de-finieron en la Unidad 1 (1.4).

Según las fases que intervienen las operaciones se clasifican en fase ga-seosa G, gas-líquido G-L, gas-sólido G-S, fase líquida L, líquido-líquido L-L, líquido-sólido L-S, sólidos S-S.

En cuanto a la disposición de los flujos de materia se puede distin-guir que sean en paralelo, en contracorriente y cruzados, con contacto entre fases continuo (relleno), intermitente (por pisos) o repetido (múlti-ples flujos).

4.4.3. Breve descripción de las principales operaciones básicas

Con independencia de su tratamiento en las Unidades siguientes, a continuación se describe en sus correspondientes cuadros-resumen las principales operaciones básicas según el mecanismo de transferencia más relevante.

Tabla 4.1. Operaciones básicas de transferencia de cantidad de movimiento

Transporte de fluidos Circulación de fluidos en conducciones cerradas (tuberías).

Manipulación y control de fluidos Almacenamiento (depósitos, contenedores).Control y medida del caudal y otras variables mecánicas.

Mezclado, agitación y homogeneización Puesta en contacto de distintas fases para conseguir una mezcla homogénea de fluidos o materia particulada. Pues-ta en contacto íntimo de varias fases.

Filtración y clarificación Separación de fases en sistemas sólido-líquido S-L o sólido-gas S-G por diferencia de presiones a través de una placa filtrante.


111

Sedimentación y decantación Separación de fases en sistemas S-L y L-L por la acción gravitatoria en diferencia de densidades.

Espesamiento Concentración de sólidos a partir de su mezcla en una fase líquida.

Clasificación Separación de partículas sólidas en diferentes grupos según tamaño, densidad, forma, composición química, etc.

Flotación Separación de fases sólidas en el seno de un fluido, por diferencia de densidades y por diferente poder humectante (mojabilidad).

Centrifugación En sistemas S-L y L-L por diferencia de densidad y la ac-ción de la fuerza centrífuga.

Separación mecánica de materia particulada

En sistemas S-G por fuerza centrífuga, inercia y gravedad.

Separación por membranas y ósmosis inversa

Separación de sistemas S-L por presión osmótica a través de membranas semipermeables.

Separación por lavado de gases En sistemas S-G por arrastre, impacto, fuerza centrífuga, etc.

Procedimientos electrostáticos de separación

Precipitación de partículas sólidas o líquidas en el seno de una fase gaseosa por ionización y migración de las par-tículas cargadas.

Tabla 4.2. Operaciones básicas de transferencia de energía (calor)

Intercambio de calor Calentamiento o enfriamiento de fluidos con o sin cambio de estado.

Evaporación, ebullición Cambio de estado de fase líquida a vapor o gas.

Calentamiento De materiales sólidos (generalmente en hornos).

Condensación, solidificación, sublimación

Cambio de estado de vapor a líquido, de líquido a sólido y de sólido a vapor.

Aislamiento térmico Frente a los mecanismos de conducción (aislantes y refrac-tarios), de convección (camisas de vacío) y de radiación (espejos).


112

Tabla 4.3. Operaciones básicas de transferencia de materia

Destilación y rectificación Separación de varios componentes en una fase (mezcla) líqui-da por diferencias de presión de vapor mediante evaporación.

Absorción y desorción Disolución de determinados componentes de una fase gaseo-sa por un líquido y recuperación del gas disuelto en la fase líquida por arrastre de un gas inerte. Hay quienes incluyen además la reacción química en lugar de la disolución.

Adsorción y sorción Separación selectiva de sustancias en el seno de un fluido por reacción química con un material sólido a nivel de su superficie.

Extracción líquido-líquido Separación de componentes en una fase líquida por dife-rencias de solubilidad.

Lixiviación, lavado y percolación Separación de componentes de un sólido.

Intercambio iónico Intercambio reversible de iones de mismo signo en diferen-tes soluciones (con resinas de intercambio iónico).

Tabla 4.4. Operaciones básicas de transferencia simultánea de materia y energía

Acondicionamiento de gases Modificación de humedad y temperatura de una corriente gaseosa por interacción con un flujo de agua líquida. Tam-bién se incluye cualquier otro líquido y vapor.

Humidificación y deshumidificación Modificación del contenido en vapor de agua de una fase gaseosa.

Enfriamiento o refrigeración de líquidos

Disminución de la temperatura de un líquido (generalmente agua) por interacción con una corriente de aire del ambiente.

Secado (de sólidos) Reducción de la humedad (u otro líquido) contenida en un material sólido mediante la evaporación u otros medios.

Cristalización Separación en una fase sólida cristalina de componentes disueltos en una fase homogénea.

Liofilización Eliminación de líquido (generalmente agua) de un material sólido mediante sublimación. (Criodeshidratación).


113

Tabla 4.5. Operaciones básicas complementarias con materia particulada

Tamizado Clasificación según tamaños de la materia particulada mediante tamices o cedazos con mallas con una determi-nada luz.

Fragmentación, trituración y molienda Reducción del tamaño de materiales sólidos.

Aglomeración y compactación Mezclado de materiales sólidos en diferentes formas o tipos.

Separación magnética y electromagnética

Separación de materia particulada según su composición química o de partículas sólidas en el seno de gases

Manipulación de sólidos Transporte y almacenamiento de materia particulada y en general de sólidos. También se incluye la carga y descarga en los diferentes dispositivos.

Estas son los tipos o clases de operaciones básicas que son esenciales para la gran mayoría de los procesos químicos industriales. Lo que se ha pretendido resumir aquí son los grandes grupos de estas operaciones bási-cas o unitarias. Cabría añadir alguna cuestión más como es el almacena-miento de productos químicos (gases, líquidos, sólidos), el control de los procesos, el transporte a distancia de los productos en general (por carre-tera, mar, aire, ferrocarril, grandes tuberías, etc.), la defensa y conserva-ción del medio ambiente, la higiene industrial, la seguridad industrial y la limpieza y el mantenimiento de las instalaciones. A ello se dedican las dos últimas Unidades de este Curso.

En resumen: para obtener (o utilizar con un fin concreto) un determi-nado producto se debe escoger el proceso químico concreto (reacciones químicas y variables que lo gobiernan), diseñar el reactor, definir las ope-raciones básicas necesarias y determinar su control y dispositivos de man-do. Esta es la esencia de la ingeniería química, que exige la mayor eficien-cia (optimización) en términos de competitividad, calidad, respeto al medio ambiente y al desarrollo sostenible, la protección de la seguridad y la salud de las personas, particularmente los trabajadores implicados y la flexibilidad y adaptabilidad a los cambios de circunstancias en cuanto a la demanda, en un mundo profundamente cambiante en lo tecnológico y en lo social y crecientemente globalizado.


114

Conviene finalmente advertir que más que ingeniería química, la de la industria química, habría que hablar de ingeniería de procesos, puesto que estas cuestiones son aplicables a la industria agroalimentaria, la bioquími-ca, la nuclear, etc.

Tema 5

Operaciones de transferencia de cantidad de movimiento

5.1. Operaciones básicas controladas por la transferencia de cantidad de movimiento

5.1.1. Transporte de fluidos 5.1.2. Almacenamiento de fluidos 5.1.3. Mezclado, agitación y homogeneización

5.1.3.1. Mezclado por borboteo5.1.3.2. Mezclado por circulación forzada5.1.3.3. Mezclado por agitación mecánica rotativa

5.1.4. Filtración 5.1.5. Sedimentación y decantación 5.1.6. Flotación 5.1.7. Centrifugación 5.1.8. Separación mecánica de materia particulada en

suspensiones S-G 5.1.9. Lavado de gases5.1.10. Separación por membranas5.1.11. Separación electrostática

117

OBJETIVOS

Conocer y comprender los principios y nociones básicas de la transferencia • de cantidad de movimiento.

Conocer y comprender las principales operaciones básicas aplicadas a los • fluidos.

Conocer y comprender las principales operaciones básicas asociadas a la • materia particulada.

5.1. OPERACIONES BÁSICAS CONTROLADAS POR LA TRANSFERENCIA DE CANTIDAD DE MOVIMIENTO

La transferencia de cantidad de movimiento tiene lugar cuando se po-nen en contacto dos partes o zonas de un fluido, constituido por una o más fases, o en su caso dos corrientes distintas, cuyas velocidades son diferen-tes. Entonces se tiende a igualar las velocidades al interaccionar las mo-léculas produciéndose un rozamiento entre los dos conjuntos en virtud de la velocidad relativa entre ambos. Este rozamiento da lugar en mayor o menor medida, en función de la viscosidad y en consecuencia del roza-miento, a una degradación de parte de la energía mecánica del sistema en energía calorífica. Aunque son conceptos distintos y, por lo tanto, no deben confundirse, al mismo tiempo que existe transferencia de cantidad de mo-vimiento se produce transferencia de energía mecánica.

5.1.1. Transporte de fluidos

Entre las operaciones básicas controladas por la transferencia de can-tidad de movimiento se destaca la conducción o transporte de fluidos, ya


118

que la gran mayoría de los procesos químicos utiliza la materia en estado líquido o gaseoso que hay que desplazar o circular por los diversos dispo-sitivos que conciernen a las diversas operaciones básicas incluidos los reactores.

Las conducciones de fluidos son en general cerradas y casi siempre de sección circular, denominándose comúnmente tuberías, aunque pueden ser de sección rectangular en algunos casos, particularmente cuando se trans-portan gases y vapores (por ejemplo, circulación de aire, evacuación de hu-mos, etc.). A veces se suele utilizar conducciones abiertas, canales, cuando se transportan grandes cantidades (en general agua).

En el transporte de fluidos aparte de considerar las diferencias en cuan-to a la fuerza gravitatoria, de las fuerzas de presión a la entrada y a la sali-da y la fuerza ejercida por el fluido sobre el exterior (por ejemplo la fuerza de reacción en los codos), hay que tener en cuenta las variaciones de energía mecánica, el trabajo y las pérdidas por rozamiento.

Para mantener un adecuado desplazamiento de los fluidos en su circu-lación por las conducciones hay que suministrar energía mecánica en for-ma de trabajo mediante bombas u otros dispositivos (para impulsar líqui-dos) y compresores (o, en su caso, ventiladores, eyectores, soplantes, cuando se trata de impulsar gases).

Existen diversos tipos de dispositivos de impulsión de fluidos que lo li-mitado de los objetivos de este curso impide detenerse siquiera en una mera descripción.

Entre las características de las bombas hay que destacar el caudal que pueden impulsar (capacidad) y la carga equivalente a la altura a la que pue-den impulsar el líquido. Se distinguen distintos tipos de bombas, mere-ciéndose destacar las bombas volumétricas de baja capacidad y alta carga, las bombas centrífugas, que por el contrario son de alta capacidad y baja carga, bombas rotatorias de pequeña capacidad y flujo constante, bombas alternativas que pueden ejercer altas presiones aunque con un flujo pul-sante, etc.

Los compresores, como su nombre indica, elevan la presión del gas que impulsan, las soplantes y los ventiladores impulsan el gas sin varia-ción significativa de la presión y los eyectores impulsan un gas con au-

OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE CANTIDAD DE MOVIMIENTO

119

mento de la presión por la acción de otro gas (muchas veces vapor de agua) a alta presión.

Las válvulas son imprescindibles para controlar la circulación de los fluidos por cualquier conducción. Hay diversos tipos siendo los más utili-zados los siguientes (figura 5.1):

Atajaderas o válvulas de compuerta, que interrumpen la circulación.•

Válvula atajadera

Válvula de retención

Válvula de asiento

Válvula de bola

Válvula de mariposa

Figura 5.1


120

De retención para impedir el retroceso o retorno de un fluido.•

De asiento, que regulan el caudal del fluido circulante.•

De mariposa, para una regulación rápida del caudal aunque con poca • precisión.

De bola, para regulación del caudal.•

También resulta imprescindible medir los caudales que intervienen en un proceso. En general se utilizan contadores tanto para gases como para líquidos que miden el volumen circulado durante un determinado tiempo, aunque también se utilizan otros dispositivos basados en las diferencias de presión o de carga ante una diferencia de la sección de la conducción. Por el efecto Venturi (figura 5-2) la disminución de la sección de una tubería se traduce en un aumento de la velocidad en este tramo y consecuentemente una disminución de la presión. En esta propiedad se basan los venturíme-tros y otros medidores que utilizan diafragmas y boquillas con orificios de diámetros de terminados. También los rotámetros (figura 5-3) que contie-nen un flotador en un tramo cónico con lo que la altura de éste está en función del mayor o menor caudal de la corriente. Finalmente, los medido-res basados en el tubo de Pitot (5-4), que es un pequeño tubo doblado en ángulo recto que se introduce en la tubería y cuyo tramo horizontal se en-cara a la corriente, determinando la altura del propio líquido en el tramo vertical la velocidad de dicha corriente.

ΔP

Venturímetro

Figura 5.2


121

Rotámetro

Figura 5.3

Δhυ =

ρgh = 1/2 ρv2

Tubo de Pitot

2gh

Figura 5.4

5.1.2. Almacenamiento de fluidos

El almacenamiento de los fluidos, como las demás operaciones, es de gran importancia ya se trate de materias primas, combustibles, productos interme-dios y productos finales, además de los desechos. Existe una gran diversidad


122

de modalidades de almacenamiento en función de las cantidades, caracterís-ticas y objetivos de la materia a almacenar. Puede ocurrir que sea inflamable, explosiva, un líquido más o menos volátil, gas, gas licuado, gas a alta o a baja presión, etc. Cuestión muy particular es el almacenamiento para ser desplaza-do o transportado a lugares alejados, por carretera, ferrocarril, barco o avión, con especial significación y medidas muy rigurosas si se trata de productos clasificados como peligrosos (legislación muy extensa sobre transporte de mercancías peligrosas y almacenamiento de productos peligrosos).

En el caso de líquidos se suele recurrir a depósitos (tanques) cilíndricos de base ancha y poca altura, cisternas (con predominio de la dimensión horizontal), etc. Para los líquidos volátiles fácilmente inflamables se suele utilizar tanques con el techo flotante sobre la misma superficie libre del lí-quido con el fin de reducir al máximo la fase vapor y disminuir así consi-derablemente el riesgo de incendio o explosión.

Las grandes cantidades de gases se almacenan en gasómetros, tanques cilíndricos de techo móvil cuando interesa mantenerlos a baja presión, aunque con el fin de reducir el espacio a ocupar muchas veces se almace-nan a altas presiones e incluso licuados cuando sus propiedades lo permi-ten (depósitos esféricos o cilíndricos).

5.1.3. Mezclado, agitación y homogeneización

Con el fin de obtener los mejores rendimientos cuando se persigue la reacción entre varios componentes o bien la transferencia de masa o de energía entre varias fases es necesario favorecer el contacto más íntimo po-sible mediante operaciones convenientes de mezclado, acompañadas fre-cuentemente de medios de agitación.

Entre los objetivos que pueden perseguirse se encuentra:

La dispersión de un líquido en el seno de otro cuando son parcialmen-• te miscibles o inmiscibles, para lograr, por ejemplo, una emulsión.

La dispersión de un gas en el seno de un líquido.•

La disolución, dilución y la obtención de una suspensión, en su caso, • de un sólido en el seno de un líquido.

Aumentar el intercambio de calor entre un líquido y las paredes del • recipiente que lo contiene.


123

La homogeneización de un producto o de un sistema con diversos • componentes con el fin de que posea una composición y una tempe-ratura uniformes en cualquier punto.

Existe una multitud muy diversa de procesos de mezclado de los que habrá que elegir según las diferentes condiciones del sistema y de los com-ponentes así como del objetivo que se pretende conseguir. Entre las varia-bles a tener en cuenta se encuentra el estado físico, la granulometría en el caso de componentes sólidos, la densidad, la humectabilidad, la conexión y compatibilidad con el resto de las operaciones del proceso global, dura-ción, temperatura, presión, características finales del resultado de la mez-cla (como el grado de homegeneidad), etc.

En este tipo de operaciones es muy importante para alcanzar la máxi-ma eficacia que se produzcan elevados gradientes de velocidad en todos los puntos del sistema, tanto en magnitud como en dirección en relación con el entorno de cada uno de esos puntos, y que el conjunto de la masa sometida al mezclado se mueva globalmente de manera lenta, consiguien-do la renovación de masa en los puntos con turbulencias intensas.

A continuación se describen los principales tipos de operaciones de mezclado.

5.1.3.1. Mezclado por borboteo

Como su nombre indica, en este tipo de operaciones de mezclado se produce un borboteo de gas o vapor en el seno del sistema mediante su in-yección a alta presión lo que provoca la dispersión en diminutas esferas (burbujas) a causa de las altas velocidades alcanzadas.

Se suele utilizar como agente de borboteo aire comprimido, vapor de agua y otros gases. Su elección lógicamente depende de las características de la mezcla a obtener y de los objetivos pretendidos en el conjunto del proceso.

El borboteo se puede conseguir mediante inyección estática con tubos perforados o inyectores colocados en las paredes o fondo del recipiente, por inyección dinámica con tubos perforados en movimiento de rotación o con la ayuda de agitadores de hélice con palas perforadas o por una combi-nación de ambos modos (figura 5.5).


124

Gas

Gas

Figura 5.5. Mezclado por borboteo de un gas.

El mezclado por borboteo se utiliza para mezclar fases líquidas no mis-cibles (insolubles o solubles parcialmente una en el seno de la otra) de den-sidades diferentes y baja viscosidad, en la obtención de espumas (por ejemplo, plásticos, vidrio, productos alimentarios) y en determinadas ope-raciones auxiliares como el calentamiento de un líquido con vapor, o cier-tas reacciones químicas (por ejemplo, fermentaciones).

5.1.3.2. Mezclado por circulación forzada

Esta modalidad se realiza con los líquidos en las mismas bombas im-pulsoras o en los propios conductos por los que circulan, mediante reali-mentación o no, pudiendo obtener la mezcla forzando la circulación a tra-vés de obstáculos o por medio de zigzagueos que producen alteraciones de la velocidad que favorecen un mejor contacto entre las fases (figura 5.6).


125

Circulación forzada por interposición de elementos fijos

Líquido 1Líquido 2

Recirculación mediante bombeo

Mezclado en diferentes tipos de torres o columnas

Figura 5.6. Algunos ejemplos de mezclado por circulación forzada.

Este tipo de operación se utiliza en la mutua dispersión de líquidos in-miscibles y en la homogeneización de líquidos viscosos, con intercambio de calor o no.

5.1.3.3. Mezclado por agitación mecánica rotativa

Por último, una modalidad muy extendida es la que recurre a agitado-res mecánicos de diversos tipos pero en general animados de un movi-miento de rotación. Estos dispositivos consisten en un elemento agitador dispuesto sobre un árbol conectado a un motor para imprimirle un movi-miento rotativo.

Estos agitadores pueden ser de diversos tipos siendo los más utilizados los siguientes (figura 5-7):


126

Agitadores de palas• , constituidos por un árbol vertical sobre el que se sitúan cuatro o seis palas, rectas o curvadas, planas o inclinadas. Se suelen utilizar para mantener homogénea una fase líquida o para man-tener estable una suspensión de un sólido dividido en finas partículas en una fase líquida.

Agitadores de hélices y helicoidales• , tanto de eje vertical como horizon-tal e incluso inclinado. Generalmente se utilizan para la agitación de fases líquidas.

Agitadores de turbina,• que están constituidos generalmente por una turbina radial y aportan una agitación muy enérgica en el entorno de su acción.

Agitador de palas cruzadas Agitador de hoja Agitador tipo ancla

Agitador de turbina Agitador de hélice

Figura 5.7. Algunos tipos de dispositivos de agitación de líquidos.

5.1.4. Filtración

Con las operaciones de filtración se trata de separar los componentes dispersos o en suspensión (sólidos o líquidos: fase dispersa) presentes en una fase líquida o gaseosa. Para ello se hace pasar la suspensión a través de un medio filtrante que retiene por una acción física (a veces también química) todas (o en parte) las partículas que constituyen la fase dispersa.

El medio filtrante está constituido por partículas sólidas depositadas sobre un soporte que puede ser un tejido, papel, tela metálica o de otro material,


127

arena, etc. que constituyen una malla. Para obtener un mejor rendimiento se aplica una presión sobre el fluido a filtrar o una aspiración sobre el filtro. El tamaño de partícula que se retiene suele ser inferior a la luz de la malla al ac-tuar como parte del medio filtrante las propias partículas ya retenidas.

El objetivo de la filtración, separación de una fase sólida dispersa en el seno de un fluido, suele ser:

Recuperación del sólido.•

Purificación de una fase líquida (o gaseosa).•

Recuperación y purificación.•

Muy frecuentemente la filtración está asociada a otras operaciones como la cristalización, la coagulación y la precipitación.

A veces la filtración se denomina clarificación, cuando la fase que im-porta es la líquida y el sólido disperso está en pequeña proporción. No obs-tante si las concentraciones de sólido son muy bajas pero interesa su recu-peración se habla de espesadores, debiéndose utilizar varios filtros en serie o en cascada. Si la concentración de sólido es importante se denomina ex-tracción de sólido.

Las operaciones de filtración se pueden clasificar según el gradiente de presión aplicado:

Filtración a presión• , si se aplica una sobrepresión sobre la suspensión antes de la superficie filtrante, quedando la parte posterior a la pre-sión atmosférica.

Filtración por vacío,• cuando se aplica una depresión en el lado poste-rior de la superficie filtrante, mientras que la anterior queda a la pre-sión atmosférica.

Filtración por gravedad, • si la suspensión circula a través del filtro por la acción de la propia presión fluidostática, lo que suele ser frecuente con suspensiones de grandes cantidades en medio hídrico (presión hidrostática).

Asimismo se distinguen modos de filtración continua, semicontinua y discontinua.

El filtro puede estar constituido bien por una masa porosa que puede ser un lecho de arena o grava (u otras partículas), que poco a poco va col-


128

matándose, o bien por un soporte o malla filtrante sobre el que las partícu-las sólidas van depositándose formando una especie de torta o pastilla de espesor creciente, que también va colmatándose. En ambos casos a medi-da que transcurre el tiempo de la operación aumenta la pérdida de carga hasta un punto en el que debe reemplazarse el medio filtrante por otro lim-pio si no es lavado en una parada.

Para la clarificación o aclarado se utilizan filtros a base de arena o grava bajo presión, filtros de placas a presión y filtros de tambor rotatorio a vacío.

En los casos de extracción de sólidos se utilizan filtros de tambor rota-rio a vacío o en sobrepresión, filtros-prensa a presión, filtros de placas en vacío, filtros de mangas a presión (para gases).

Torta

LL

L

Δh

Vf

L

Filtración sobre soporte y torta Filtración sobre lecho de arena y grava

L

Filtración de tela flotante Filtración-prensa

Figura 5.8. Algunos tipos de filtración.


129

En operaciones de limpieza o desbastado que tienen por objeto separar las grandes impurezas de un líquido, se pueden utilizar tamices o mallas bajo presión.

En los casos que requieren garantizar la limpieza de un líquido libre de impurezas se le hace pasar a través de filtros de cartucho, mangas o placas bajo presión.

En la figura 5-8 se muestran esquemas de algunos sistemas de filtración.

5.1.5. Sedimentación y decantación

Otra operación de separación sólido-líquido es la sedimentación, que consiste en separar partículas sólidas en suspensión por la acción de la gravedad ante la diferencia de densidades entre la fase dispersante y la dis-persa. Aquí también se distingue el aclaramiento o clarificación, cuando se pretende conseguir un líquido libre de impurezas y el espesamiento o con-centración, cuando el objetivo es la propia fase sólida.

También existen separadores de sistemas líquido-líquido, que también se basan en la diferencia de densidades entre dos o más fases inmiscibles, como es el caso de la separación de aceites y grasas en aguas residuales. En estos casos, finalmente se produce la separación por decantación de la fase ligera respecto de la pesada.

En el caso de partículas sólidas que constituyen la fase dispersa en el seno de un líquido, la sedimentación se produce por la caída de tales partícu-las al ser más densa que tal líquido, que puede estar en reposo o en movi-miento lento. Después o bien se separa el líquido por decantación o la fase sólida por el fondo, utilizando elementos de rascado y arrastrado para con-ducir los lodos hacia la salida del sistema, generalmente situada en el cen-tro de la parte inferior.

Un caso particular es la clasificación hidráulica en distintas fracciones en función del tamaño, forma y densidad de las partículas y que se realiza en varias etapas, en medio acuoso. La suspensión se introduce en un extre-mo de una conducción horizontal y circula de manera continua hacia el otro extremo, con la posibilidad de que vayan depositándose y separándose por el fondo sucesivamente en depósitos separados las partículas según el grosor decreciente.


130

La elutriación supone una sedimentación en cascada en la que especies diferentes presentan velocidades de sedimentación distintas. El fluido por-tador se introduce en la base del primer separador con el efecto de deposi-tar la especie más pesada para pasar al segundo separador donde se sepa-ran la especie menos pesada.

Existen tres formas esenciales de decantación: estática, acelerada y la-minar.

La decantación estática es una operación continua en la que se va sepa-rando continuamente en diferentes partes tanto el sedimento o lodos (fon-do) como el líquido aclarado (superficie). A veces previamente se somete la suspensión a la acción de floculadores. En general se suele llevar a cabo en balsas rectangulares o circulares, con o sin rastrillos en el fondo.

La decantación acelerada se aplica a suspensiones diluidas con sólidos fi-namente divididos que son sometidos a procesos de coagulación o flocula-ción (natural o espontánea o provocada mediante un agente floculante). Con esta técnica además de convertir las partículas finas en partículas grue-sas, en el caso de coloides cargados eléctricamente se consigue la neutrali-zación de su carga, con lo que se consigue la aglutinación de las micelas (partículas) coloidales (coalescencia), por lo que finalmente se acelera su sedimentación. Puede combinarse con la decantación con recirculación de los lodos que consigue resultados finales de lodos altamente concentrados.

La decantación mediante láminas se consigue introduciendo láminas o placas planas y delgadas, inclinadas (unos 60º respecto a la horizontal) y separadas entre sí, dentro de la cuba o balsa de decantación, pudiendo utilizar corrientes en paralelo o cruzadas o en sentido contrario (contra-corriente).

Sedimento

Sólido compacto

Líquido clarificado

Figura 5.9. Esquema de un sedimentador.


131

5.1.6. Flotación

La flotación es otra operación básica de separación de fases que consis-te en adherir aire en forma de burbujas a las partículas sólidas con el fin de que asciendan a través de la fase líquida en virtud de su menor densi-dad aparente para finalmente flotar en su superficie de la que son separa-das como una especie de espuma.

Esta operación depende de que, añadiendo o no aditivos convenientes, se consiga que las partículas no sean mojadas para que al contactar con burbujas de aire éstas se adhieran a su superficie. Esta operación es tradi-cional en la minería para separar la mena o mineral concentrado (en gene-ral no mojable y que flota en forma de espuma) de la ganga (que es mojada y precipita hacia el fondo).

5.1.7. Centrifugación

Las operaciones de separación basadas en la acción mecánica de la fuerza centrífuga se utilizan con sistemas de dos fases líquidas con o sin un componente sólido o con sistemas con una fase líquida y otra sólida.

Sedimento

Líquido

Figura 5.10. Esquema de la centrifugación.

Mediante un sistema de rotación (figura 5.10) se crea un campo de fuerza centrífuga que puede ser muchas veces superior a la fuerza de la gravedad. Por esta razón se utiliza este método cuando la acción de la gravedad es muy poco efectiva y la velocidad de la decantación resulta ser excesivamente lenta.

Si el dispositivo es dinámico y su propio movimiento arrastra a la pro-pia suspensión consigo mismo se denomina centrífuga. Si por el contrario


132

el dispositivo es estático o fijo y es el movimiento de la suspensión que por acción de su propia energía cinética es sometida a la fuerza centrífuga en su interior, recibe el nombre de ciclón (o hidrociclón si el medio es acuoso).

Las centrífugas a su vez se pueden clasificar según el modo de separa-ción de los sólidos en:

Sedimentación o decantación centrífuga• cuando la separación se produce simplemente por la diferencia de densidades de ambas fa-ses, depositándose sobre la pared interna la fase más densa, orde-nándose en capas sucesivas según el orden de densidades hasta el líquido clarificado que finalmente queda en la parte central del inte-rior del aparato.

Filtración centrífuga• (o desecación) si la separación de fases se reali-za por medio de un filtro, a través del cual pasa la fase de suspen-sión reteniendo en una cara los sólidos y atravesando la fase líquida límpida.

Si el objeto principal es la obtención de un sólido tan concentrado como sea posible se suele hablar de espesamiento o concentración, mien-tras que si lo que se pretende es obtener un líquido lo más aclarado (lim-pio) posible se habla de clarificación o aclarado.

Si se trata de emulsiones se denomina purificación a la obtención de una fase pura y ligera, más por el contrario si es la pureza la de la fase pe-sada la que se persigue conseguir entonces se habla de concentración. Es-tas operaciones son muy utilizadas en la industria alimentaria (descrema-do, enriquecimiento, etc.).

La ultracentrifugación se refiere a operaciones de centrifugado de alta intensidad de campo de fuerzas centrífugas que se consigue con muy altas velocidades angulares (más allá de 15000 r.p.m.).

Para la centrifugación es muy utilizado un parámetro Z de eficacia del centrifugado denominado efecto centrífugo, factor de eficacia centrífuga o número de «g» que es la relación de las dos aceleraciones, la centrífuga res-pecto de la gravedad:

Z

j

g

r

g

v

gr

n r

gc= = = =ω π2 2 2

60

⎛⎜⎜⎝ ⎛

⎜⎜⎝

[5.1]


133

donde n es la velocidad de rotación en r.p.m. (revoluciones por minuto), r el radio de giro de las partículas, ω la velocidad angular, g la aceleración de la gravedad y v la velocidad lineal tangencial a la trayectoria de la partícula. Este número de g caracteriza la velocidad de decantación por la acción de la fuerza centrífuga. Las centrífugas de decantación y las desecadoras sue-len trabajar en factores de 300 a 3000 g, mientras que en la clarificación y separación se llega de 5000 hasta 15 000 g. La ultracentrifugación puede partir de 50 000 hasta 300 000 g o más.

En cuanto a los hidrociclones, análogos a los ciclones (separación de partículas suspendidas en fase gaseosa) que posteriormente se tratan, la corriente que contiene la suspensión animada de una determinada energía cinética es forzada a adoptar una trayectoria circular (helicoidal) con lo que las partículas más pesadas son empujadas hacia las paredes donde se frenan por rozamiento en su superficie y finalmente caen al fondo del hi-drociclón. Cabe la posibilidad de clasificación de las partículas disponien-do varios hidrociclones en serie (uno a continuación de otro) (figura 5.11).

Suspensión

Líquido

Polvo

Figura 5.11. Esquema de un hidrociclón.


134

5.1.8. Separación mecánica de materia particulada en suspensiones S-G

La situación más frecuente de sistemas de suspensiones de sólidos en seno de gases es el aire contaminado por la materia particulada (polvo) en suspensión. Además de partículas sólidas puede existir en suspensión aero-soles líquidos (nieblas, por ejemplo de agua, ácido sulfúrico, etc.) que son generalmente suspensiones coloidales de la materia en estado líquido en el seno de un gas. También suele ocurrir, por desgracia con bastante frecuen-cia, que además de que el aire de un ambiente esté contaminado por partícu-las sólidas y aerosoles líquidos, lo esté por gases y vapores tóxicos o noci-vos que se mezclan de manera homogénea en una única fase gaseosa (óxidos de nitrógeno, de carbono, de azufre, etc).

Con el fin de limpiar o purificar tanto el aire ambiente como el que for-ma parte de determinados procesos industriales, así como otros gases que intervienen en diversos procesos químicos, o en su caso, recoger o recu-perar determinados sólidos dispersos en la fase gaseosa, se utilizan diver-sas operaciones básicas entre las que se encuentra la separación mecáni-ca de la materia particulada en suspensión en el aire o en cualquier otra fase gaseosa, los métodos de separación electrostática, la filtración y el la-vado de gases.

Los procedimientos mecánicos de separación de partículas sólidas se basan en los mismos principios que se han considerado en los apartados anteriores referidos a la sedimentación y decantación y a la centrifugación. Las fuerzas gravitacionales y las inerciales actúan de manera análoga en la dispersión o suspensión correspondiente a un sistema heterogéneo sólido-gas. En estos casos existe una considerable mayor diferencia de densida-des entre ambas fases, sólida y gaseosa. La ley de Stokes referida a la caída libre de partículas en el seno de un fluido newtoniano en régimen laminar proporciona elementos sencillos de cálculo que no obstante no son objeto de este curso. Según esta ley las partículas en caída libre desde una posi-ción inicial en reposo sufren un movimiento acelerado hasta llegar a una velocidad límite constante alcanzando un régimen estacionario con movi-miento uniforme.

Entre los dispositivos que utilizan la fuerza de la gravedad están las cá-maras de decantación para el desempolvado que son grandes espacios (cá-


135

maras) que tienen intercalados diversos paneles verticales que obligan a que la corriente gaseosa realice una trayectoria en zig-zag, por lo que las partículas sólidas por la acción de la fuerza centrífuga chocan contra las pa-redes separándose de la fase gas y depositándose en el fondo de donde son recogidas.

Las cámaras de impactación consisten en hacer pasar la corriente ga-seosa por una red de conducciones laberíntica, provocando el movimien-to en zig-zag además del choque contra obstáculos (placas interpuestas y las propias paredes) que conduce al frenado de las partículas sólidas (por mayor inercia que el propio gas, más ligero). Si la cámara es hori-zontal (con las placas de impactación verticales, los sólidos se recogen en el fondo) y si se trata de una columna (vertical) las placas son horizon-tales y recogen el polvo depositado por pérdida de velocidad en los sucesi-vos choques.

Frente a los dos procedimientos anteriores, de escaso rendimiento, pre-valecen actualmente los que se basan directamente en la fuerza centrífuga, además de la filtración y el lavado. Se trata de los dispositivos denomina-dos ciclones.

Los ciclones se construyen con un cuerpo cilíndrico que termina en un fondo cónico que conduce al depósito de las partículas sólidas que finalmente caen. El gas suele entrar en la parte superior y de manera tangencial en un plano perpendicular al eje del cuerpo. El conducto de entrada es helicoidal con lo que el gas, que llega a una determinada velo-cidad lineal, emprende un movimiento de rotación descendente hacia la parte del fondo dirigiéndose hacia la conducción de salida en movi-miento ascendente, siempre helicoidal, esta vez ya limpio. Las partícu-las (sólidas y líquidas) son arrastradas en el movimiento de rotación ha-cia la zona de evacuación después de chocar contra las paredes y caer por su peso.

Hay ciclones con admisión tangencial y con admisión axial, en los que se desarrolla un movimiento helicoidal por la boquilla situada en el espa-cio anular entre la pared del cuerpo cilíndrico y la del tubo de salida del gas limpio (figura 5.12).

La eficacia y capacidad de los ciclones depende de las dimensiones (al-tura y anchura), de la velocidad de entrada y del tipo así como de la adi-


136

ción de filtros u otros dispositivos de separación y clasificación. En gene-ral, los ciclones son bastante eficaces y económicos, en parte por carecer de elementos mecánicos móviles.

Gas limpioGas con polvo

PolvoPolvo

Gas con polvo

Gas limpio

Figura 5.12. Ciclón tangencial y ciclón axial.

5.1.9. Lavado de gases

Los lavadores de gases o scrubbers utilizan una corriente de líquido de lavado que se aplica enérgicamente sobre un sistema gaseoso heterogéneo que contiene sólidos o gotas de líquido en suspensión. Casi siempre el lí-quido de lavado es agua, que además de disolver determinados contami-nantes, neutralizar algunos componentes y enfriar el gas, arrastra las par-tículas sólidas y demás aerosoles, con el fin de separarlos del gas que queda purificado. Las acciones que implican disolución e incluso reacción se corresponden con otras operaciones básicas de transferencia de mate-


137

ria, como es la absorción. También el efecto de enfriamiento pertenece a otro tipo de operación básica de transferencia de energía.

No obstante, la transferencia de partículas sólidas de la fase gaseosa hacia la fase líquida tiene lugar por la acción de diversas fuerzas como son las centrífugas y las de impacto, pudiendo añadirse las electrostáticas, las de difusión y la condensación de vapores.

En general se distinguen dos grandes clases de operaciones de lavado de gases: las basadas en la pulverización del líquido por la acción de im-pacto del gas por efecto Venturi con un ventilador y las que se fundan en la pulverización del líquido por medio de un tubo pulverizador y una bomba impulsora, como es el caso de las torres de lavado o escrubbers (figura 5.13).

Agua

Agua

Gas limpio

Polvo

Polvo

Gas con polvo

Gas con polvo

Gas limpio

Agua

Agua

Figura 5.13. Torre de lavado y Scrubber Venturi.


138

5.1.10. Separación por membranas

Las membranas semipermeables o selectivas son aquellas membranas que permiten el paso a su través de las moléculas de un disolvente (en ge-neral) pero retienen, impidiéndoles tal paso, las moléculas del soluto di-sueltas en dicho disolvente. Se trata de láminas muy delgadas, de material orgánico o mineral, y con determinados diámetros de poro que permiten el paso de pequeñas moléculas y átomos pero no el de las moléculas a partir de cierto tamaño o, en su caso, no solo por las dimensiones físicas sino también por las interacciones por afinidad o repulsión entre las moléculas del soluto y las de la estructura de la membrana.

Cuando el paso del fluido se realiza mediante presión para empujarlo a través de la membrana se trata de una operación semejante a la filtración pero denominada ultrafiltración para los líquidos homogéneos cuando se re-tienen las moléculas de mayor tamaño. Si se persigue retener pequeñas mo-léculas se habla de ósmosis inversa, al conseguir que prácticamente solo las moléculas del disolvente sean las que atraviesen la membrana por la acción de la presión, lo que realmente es el proceso contrario a la ósmosis (figura 5.14).

PermeadoConcentrado

Microfiltración

PartículasMacromoléculas

MicrosolutosDisolvente

Δp

Ósmosis inversa

a)

b)

c)

d)

Δp

a)

b)c)

d)

Δp

Δp

Gas

Gas

Permeación gaseosaUltrafiltración

Figura 5.14. Separación por membrana permeoselectiva.


139

La diferencia de concentraciones a una y otra parte de la membrana se-mipermeable puede determinar una presión osmótica que espontáneamen-te tiende a igualar las concentraciones de ambas partes mediante el paso de las moléculas del disolvente, no así las del soluto ya que el tamaño de poro lo impide. El paso del disolvente en términos netos será desde la par-te más diluida a la más concentrada. Se suele hablar entonces de diálisis (ósmosis) y de electrodiálisis si se aplica un campo eléctrico con el fin de acelerar la transferencia de iones.

Se recuerda la ecuación que gobierna la ósmosis (Van’t Hof):

Π = iCRT [5.2]

donde Π es la presión osmótica (Pa), C la concentración molar del soluto (mol/L), R la constante universal de los gases, T la temperatura absoluta (K) e i el grado de disociación en el equilibrio (i = 1, en el caso de disolu-ciones no ionizadas).

Para los gases se utilizan dos tipos de membranas especiales: las micro-porosas atravesadas por las moléculas gaseosas por efecto de la capilaridad (difusión gaseosa) y las densas que se basan en un mecanismo de solubili-zación y difusión simultáneas al disolver mejor (a su través) unas molécu-las de gas que otras en virtud de diferente presión parcial a una y otra par-te de la membrana (permeación gaseosa o pervaporación).

La selectividad supone la preferencia de una especie química a otra en el paso a través de la membrana.

La microfiltración basa su selectividad en el diámetro de los poros (de 0,1 a 20 μm) con respecto al tamaño de las moléculas mientras que la ul-trafiltración corresponde a umbrales de separación de tamaños de molécu-la entre 0,1 y 0,005 μm.

5.1.11. Separación electrostática

Las técnicas electrostáticas de separación se basan precisamente en la acción de los campos de fuerzas eléctricas sobre las partículas sólidas o líquidas con el fin de separarlas de la fase dispersante gaseosa en un sis-


140

tema gaseoso heterogéneo. Para ello se emplea el denominado efecto co-rona con el fin de provocar una intensa ionización del gas portador. Este efecto consiste en un conjunto de fenómenos que acompañan a la forma-ción de un campo eléctrico no uniforme entre dos electrodos de superfi-cies diferentes, cuya intensidad es mayor en el entorno inmediato del que se constituye en electrodo de emisión. Para una determinada tensión en-tre electrodos se produce una intensa ionización del gas que rodea al electrodo de emisión, con el resultado de un cierto chasquido o crepita-ción y pequeñas descargas eléctricas e incluso una luminosidad (efecto co-rona). Este efecto será positivo o negativo según sea la carga del electrodo negativa o positiva.

Una vez ionizado el gas portador la captación de las partículas disper-sas en su seno se realiza en tres etapas sucesivas:

Carga eléctrica de las partículas•

Migración de las partículas cargadas por la acción del campo eléctri-• co hacia el electrodo de precipitación (de signo contrario, en general, positivo) donde se descargan y se separan por precipitación.

Evacuación del gas purificado por una parte y recogida de las partí-• culas recogidas por otra.

La mayor parte de los separadores o precipitadores electrostáticos pue-den agruparse en dos clases o tipos:

Los aparatos tubulares con electrodos coaxiales• . Los electrodos de emisión son unos hilos conductores que se disponen paralelamente a los electrodos receptores (superficie plana o cilíndrica conectada a tie-rra). Se utilizan tensiones entre 40 y 80 kV. El conjunto se dispone en el interior de un cuerpo cilíndrico vertical, con la entrada del gas con la suspensión por arriba y la salida del gas purificado por la parte in-ferior, recogiéndose el polvo depositado en el fondo por vaciado o evacuación del mismo.

Los dispositivos de placas con corriente horizontal o vertical del gas• . Los electrodos receptores son placas o láminas rígidas (figura 5.15).

En ambos casos es esencial la limpieza periódica de las superficies don-de se deposita el polvo precipitado.


141

Generador

Gaslimpio

Gas

Electrodoreceptor

Electrodoemisión

Polvo

Figura 5.15. Separador electrostático de electrodos planos.

Tema 6

Operaciones de transferencia de materia y energía

6.1. Operaciones básicas de transferencia de materia

6.1.1. Destilación6.1.2. Extracción líquido-líquido6.1.3. Lixiviación6.1.4. Absorción y desorción6.1.5. Intercambio iónico6.1.6. Difusión de gases

6.2. Operaciones básicas de transferencia de energía

6.2.1. Mecanismos de transmisión del calor6.2.2. Dispositivos de intercambio de calor

6.3. Operaciones de transferencia simultánea de materia y energía

6.3.1. Operaciones de interacción aire-agua6.3.2. Operaciones de secado de sólidos6.3.3. Cristalización6.3.4. Sublimación y liofilización

145

OBJETIVOS

Conocer y comprender las principales operaciones básicas de transferencia • de materia.

Conocer y comprender las principales operaciones básicas de transferencia de • energía.

Conocer y comprender las principales operaciones básicas de transferencia • simultánea de materia y de energía.

6.1. OPERACIONES BÁSICAS DE TRANSFERENCIA DE MATERIA

En general las operaciones básicas de transferencia de materia tienen por objeto esencial la separación física de los componentes de una mezcla inicial monofásica en varias partes que pueden corresponder a distintas composiciones e incluso a componentes puros según el caso. En estas ope-raciones gobernadas por la transferencia de materia tiene lugar, junto a ésta, la transferencia de energía, con su influencia en el cambio de estado de los componentes de las fases y la transferencia de cantidad de movi-miento, con su influencia en las condiciones fluidodinámicas que determi-nan el contacto entre las diversas fases.

Estas operaciones suelen clasificarse según el estado de las fases inmis-cibles que constituyen la interfase a cuyo través tiene lugar la trasferencia de materia en el sistema: Operaciones gas (o vapor)-líquido, líquido-líquido, gas-sólido, líquido-sólido y sólido-sólido.

A continuación se describen brevemente las operaciones de mayor inte-rés en la ingeniería industrial sin entrar en mayor detalle y menos en su di-seño, propios de la especialización en ingeniería química.


146

6.1.1. Destilación

La destilación es una de las operaciones básicas de separación más im-portantes de la ingeniería química. Es una operación esencial en el refina-do de productos petrolíferos, por ejemplo.

En esta operación, tipo líquido-vapor, se persigue la separación de uno o más componentes de una mezcla homogénea en estado líquido, basándo-se en la diferente volatilidad de tales componentes.

En general consiste en una operación doble, ya que se produce la ebulli-ción del líquido, generándose una fase vapor de distinta composición en con-tacto con la fase líquida, que se condensa parcialmente. Al mismo tiempo la fase líquida, que cambia también de composición, se evapora parcialmente.

Mediante esta doble acción, evaporación y condensación, salvo pocas excepciones, la fase vapor se enriquece en los componentes más volátiles de la mezcla y la fase líquida se enriquece en los componentes menos volátiles. La fase vapor sale por la parte alta enriquecida con los componentes más li-geros (de menor punto de ebullición) y la fase líquida desciende al fondo o parte baja enriquecida con los componentes más pesados o de mayor punto de ebullición.

Las condiciones para la realización de esta separación dependen de las características del sistema líquido-vapor. Las mezclas de partida pueden ser binarias, ternarias y, en general, multicomponente. Pueden constituir mezclas ideales o no, como es el caso de los azeótropos, y en algunos casos ser mezclas heterogéneas en las que la solubilidad recíproca puede ser parcial o incluso nula. Se recomienda repasar el estudio de los equilibrios líquido-vapor que debe haberse aprendido en cursos anteriores.

Las operaciones de destilación pueden ser de funcionamiento continuo o discontinuo. Las operaciones continuas son propias de la industria ma-nejándose, en general, grandes cantidades de mezcla. El método disconti-nuo se suele utilizar en los laboratorios y en la industria cuando se tratan pequeñas cantidades de mezclas.

El funcionamiento discontinuo consiste esquemáticamente en una cal-dera o hervidor donde la mezcla se deposita y se calienta a temperatura creciente generándose un vapor rico en los componentes más volátiles que se condensan en un refrigerante, generalmente enfriado con agua, sepa-rándose en recipiente aparte en forma líquida.

OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MATERIA Y ENERGÍA

147

La destilación continua se basa en la alimentación continua de la mezcla a separar en columnas de destilación y en la salida continua de una o de las diversas fracciones en puntos bien determinados. El aporte de ca-lor se suele hacer o directamente sobre la alimentación a la entrada de la columna o sobre la fracción menos volátil en la parte inferior de la colum-na. Las temperaturas y la composición de las fases de la mezcla varían de sección en sección de la columna pero se mantienen constantes en el fun-cionamiento normal (estacionario). También se mantienen constantes las composiciones de los productos que salen de la cabeza, de la base y de cualquier otro punto de la columna.

Es frecuente que parte del destilado, es decir, el vapor condensado sa-liente de la parte alta de la columna, se introduzca de nuevo en un punto de la columna como realimentación o reflujo. Esta parte devuelta como retor-no a la destilación permite obtener una fracción más pura o más rica en los componentes más volátiles. La destilación con reflujo se suele denominar rectificación.

Líquido

Residuo(menos volatil)

Alimentación(mezcla)

Destilado(más volatil)

Vapor

Vapor

Condensado

Condensador

RefrigeranteReflujo

Calentador

Líquido

Figura 6.1. Destilación con reflujo.


148

Una de las instalaciones más utilizadas son las columnas de platos perfo-rados (simples orificios en su base) situados a diferentes alturas en su inte-rior. A lo largo de la columna se entrecruzan dos corrientes: una ascendente de vapor que sucesivamente se va enriqueciendo en los componentes más vo-látiles y otra descendente líquida que a medida que baja se va concentrando en los componentes menos volátiles. En cada plato la fase líquida se mantie-ne retenida por el vapor ascendente a su través y desciende por rebosamiento por un extremo del plato a través de un rebosadero. Existe otros tipos de pla-tos como los de campanas de burbujeo o borboteadores y los de válvulas. El vapor ascendente que alcanza un plato y el líquido descendente que llega al mismo no están en equilibrio, mezclándose íntimamente en el interior del plato con lo que se produce la transferencia de materia y alcanzando (teórica-mente) el equilibrio entre las corrientes de vapor y líquido que lo abandonan.

Otro modo de mantener el contacto necesario entre fases consiste en las torres de relleno. La columna está rellena en su interior con piezas de una forma determinada, que puede ser de diferentes tamaños y diseños y ser de diversos tipos de material. Con este dispositivo se alcanza un con-tacto continuo entre fases, distribuyendo la líquida descendente resbalan-do sobre la superficie de las piezas del relleno y ascendiendo el vapor en contracorriente por los huecos. Esta superficie de contacto se procura que sea máxima con el fin de que también lo sea la trasferencia de materia.

La destilación simple se suele realizar con mezclas binarias cuyos componentes tienen un punto de ebullición bastante diferente. La mezcla se hierve en un recipiente apropiado o en una caldera, separándose desde su formación el vapor que se puede condensar aparte, constituyendo el des-tilado, mientras que en la caldera queda el residuo. Esta destilación puede realizarse de modo continuo, alimentando constantemente la caldera a la vez que se retira el residuo, o de modo discontinuo. En realidad no es pro-piamente una operación de transferencia de materia ya que ambas fases, vapor y líquido, están en equilibrio.

La destilación súbita o flash es una forma de destilación simple que tiene lugar a a temperatura y a presión elevada, de tal manera que la mez-cla no llegue a hervir. Esta fase líquida recalentada se expande en una co-lumna hasta alcanzar una presión más baja, con lo que se produce la eva-poración de los componentes más volátiles, estando ambas fases, vapor y líquido en equilibrio, que salen separados.


149

Líquido

Vapor

Qw

Destilado

Figura 6.2. Destilación simple.

La destilación por arrastre de vapor (stripping) se utiliza en la puri-ficación de un líquido con un punto de ebullición muy alto o no miscible con el agua con riesgo de descomponerse si se intenta hacerlo hervir. Esta destilación consiste en inyectar vapor de agua recalentado directa-mente sobre la mezcla. Con este tercer componente se disminuye las pre-siones parciales de vapor de los otros componentes con lo que la tempe-ratura para la evaporación disminuye. Salvo que el agua llegue a condensar ésta acompaña al destilado a la salida de la columna y se separa a conti-nuación.

La destilación extractiva se utiliza con mezclas binarias con una baja volatilidad relativa, con lo que sus componentes son difíciles de se-parar. La volatilidad relativa se modifica añadiendo un disolvente como tercer componente que forme una mezcla binaria con uno de los otros dos. En la destilación se separa por la cabeza un componente (el más li-gero) y por el fondo la mezcla del otro componente con el disolvente añadido, que pasan a una segunda columna denominada columna de re-generación, liberándose por la cabeza el otro componente (el pesado) y recuperándose el disolvente como residuo que vuelve reciclado a la pri-mera columna. Este es el caso de la utilización de agua como disolvente sobre la mezcla acetona/metanol y acetona para el sistema butadieno/butileno, por ejemplo.


150

En la destilación azeotrópica se añade a una mezcla binaria como ter-cer componente una sustancia que forma un azeótropo con uno de los componentes, pudiéndose luego separar un componente y el otro como azeótropo que posteriormente se «rompe» liberando el otro componente.

6.1.2. Extracción líquido-líquido

La extracción, en general, persigue la separación de ciertos compo-nentes de una mezcla mediante un disolvente líquido. Cuando se trata de una mezcla de gases se denomina absorción. Cuando los componentes están en una mezcla en fase líquida la operación se denomina extracción líquido-líquido y cuando el componente a extraer está contenido en un só-lido extracción sólido-líquido o, más comúnmente, lixiviación, precola-ción o lavado. Estas operaciones se fundamentan en la diferente solubili-dad de los componentes en cada fase. Se recomienda repasar de cursos anteriores estos conceptos, en particular el coeficiente de reparto o distri-bución referido a la distribución de un soluto entre dos líquidos inmisci-bles o poco miscibles.

Para realizar la extracción el disolvente que se añade tiene que provo-car la aparición de una nueva fase. La transferencia de materia tiene lugar con el paso del soluto (componente) de la fase inicial, sólida o líquida, por disolución a una segunda fase que se separa de manera mecánica.

Por lo tanto esta operación básica requiere dos etapas:

La puesta en contacto de la materia a tratar lo más íntimo posible 1. con el disolvente por el tiempo necesario para alcanzar un estado de equilibrio entre las dos fases.

La separación física (por decantación) de las dos fases en una solu-2. ción rica en disolvente (extracto) y otra fase (refinado) que es una se-gunda capa líquida (rica en diluyente) separada (por inmiscible) de la primera por diferencia de densidades en el caso de la extracción líquido-líquido. Si se trata de una extracción sólido-líquido este resi-duo es una fase sólida impregnada de solución.

Posteriormente debe recuperarse el disolvente (generalmente por desti-lación) para volverlo a reutilizar, con lo que al tiempo se obtiene el otro componente.


151

La extracción simple (por simple contacto) consiste en mezclar con un disolvente apropiado (en un mezclador) la mezcla homogénea inicial (que por ejemplo, contiene dos componentes) durante un tiempo suficien-te. A continuación el líquido se pasa a un decantador donde se separan fí-sicamente por diferencia de densidades las dos capas (fases) refinado y ex-tracto, y se recogen en recipientes diferentes. Aunque este procedimiento es típicamente discontinuo puede realizarse en modo continuo en régimen estacionario, pero su rendimiento en este caso es bastante bajo

En la extracción por etapas o extracción simple por contactos múlti-ples en paralelo, el disolvente (líquido extractor) se reparte en partes, igua-les o no, en cada etapa sobre el refinado de la etapa anterior. Se obtiene en cada etapa sucesiva un refinado con concentración decreciente en el soluto que ha ido separándose en sucesivos extractos.

F

S

Mezclador

R1

E2

Extracto

Refinado

E1

Decantador

S

S

R2

Figura 6.3. Extracción simple de contactos múltiples.


152

Con la extracción en contracorriente se utiliza mejor la capacidad de extracción del disolvente con lo que se obtiene una mayor eficacia en el proceso. En este caso se hace circular simultáneamente pero en sentido contrario las corrientes de las dos fases, a través de un conjunto de etapas. La mezcla inicial entra en la primera etapa o unidad de extracción mien-tras que el disolvente puro lo hace en la última.

Además estas operaciones se pueden realizar sin y con reflujo. Con el reflujo de extracto la alimentación se aplica en aquella etapa intermedia en la que coinciden las composiciones de ambas soluciones, y una parte del extracto se reinyecta en el aparato extractor después de la separación del disolvente.

Con el reflujo de refinado se introduce en el aparato extractor una cier-ta cantidad de refinado después de mezclarlo con el disolvente. Finalmente se puede utilizar ambos reflujos, de refinado y de extracto.

Los aparatos en los que se realizan las operaciones de extracción líqui-do-líquido pueden ser columnas de relleno verticales u horizontales dota-das de un movimiento de agitación, con placas perforadas. También se uti-lizan tanques con agitadores (para el contacto entre fases) y decantadores a continuación para cada etapa.

Comparando la extracción líquido-líquido con la destilación y rectifi-cación puede resultar más ventajosa, sobre todo económicamente y en rendimiento y eficacia, si el componente volátil se presenta en una con-centración importante, si dicho componente es el agua (por su gran ca-lor de vaporización), si la temperatura de destilación es elevada y si los componentes son termolábiles. Además en la extracción no hay cambio de estado y las variables térmicas no tienen apenas importancia. La ex-tracción es ventajosa con las especies químicas diferentes mientras que la rectificación es una técnica de separación más propia de las especies químicas próximas. La extracción es exitosa cuando se pretende elimi-nar trazas de impurezas que afectan a las propiedades de color y olor de un producto.

La extracción líquido-líquido se utiliza ampliamente en la industria farmacéutica (preparación de antibióticos), separación de asfaltos del pe-tróleo, refinado de kerosenos, refinado de aceites y grasas animales y ve-getales, etc.


153

6.1.3. Lixiviación

Como se acaba de indicar, la lixiviación y otras operaciones análogas son operaciones de separación por extracción sólido-líquido. Con ello se trata de separar uno o varios componentes de una fase sólida mediante su disolución por un disolvente líquido. Recibe esta denominación de lixivia-ción cuando los componentes a extraer se consideran valiosos y son el ob-jeto principal de la operación. Cuando lo que se pretende es la eliminación de componentes no deseados (impurezas, gangas, etc.) de un sólido enton-ces se habla de lavado. En cuanto a la percolación, se trata más bien de la acción de vertido de un líquido sobre un sólido en forma particulada o pul-verulenta, utilizado en farmacia y a nivel doméstico, como es el caso de la extracción del café y otras infusiones. [Ver en el capítulo anterior 5.1.9]

La lixiviación se puede realizar discontinuamente, por cargas, o en ope-ración continua.

Existen diversos tipos de equipos para las operaciones de lixiviación. En las industrias extractivas de mineral y en las azucareras se suele utili-zar el lecho fijo por capas donde el sólido amontonado por piezas es baña-do por un disolvente extractor de arriba abajo en una columna o un tanque o estanque.

Existen tanques dispuestos en serie dotados de agitadores y tanques de lechos móviles en los que el disolvente extractor se desplaza en sentido contrario al sólido que lo hace mediante dispositivos helicoidales o por cangilones u otros análogos.

6.1.4. Absorción y desorción

La absorción es una operación básica que consiste en la transferencia de materia entre una fase gaseosa o de vapor y una fase líquida constituida por una sustancia pura o por una mezcla de sustancias. En ambas fases existe un componente volátil y soluble en concentraciones diferentes a la de equilibrio por lo que la transferencia de materia (dicho componente) se desarrolla espontáneamente desde la fase gaseosa a la líquida (absor-ción) o desde la líquida a la gaseosa (desorción o desabsorción). Esta últi-ma consiste realmente en la recuperación de la sustancia disuelta en el lí-quido durante la absorción.


154

Por lo general, en la absorción la fase gaseosa suele estar constituida por dos componentes: el objeto de la transferencia o soluto y el gas porta-dor, inerte e insoluble en el líquido. La fase líquida inicial suele ser una sustancia (disolvente) de escasa volatilidad.

Para el desarrollo de la absorción se somete la mezcla gaseosa a un la-vado con el disolvente líquido con el objeto de disolver en éste únicamente el componente deseado. Este fenómeno puede llevarse a cabo por un me-canismo puramente físico, basado en el equilibrio líquido-vapor, como en el caso de la destilación, o puede ir acompañado de una verdadera reac-ción química. Se recomienda el repaso de lo estudiado en cursos anterio-res sobre los equilibrios líquido-vapor.

Es muy importante la elección adecuada del disolvente a utilizar en la absorción. Muchas veces es decisivo la naturaleza misma de la solución o el producto a obtener. Si el objetivo es recuperar o eliminar un componen-te de una mezcla inicial de gases, en la elección del disolvente debe consi-derarse la solubilidad del gas, que cuanto más elevada sea permitirá una mayor absorción con menos cantidad de disolvente. También es mejor una baja volatilidad del disolvente para evitar pérdidas del mismo. Se prefiere un disolvente de baja viscosidad para evitar atascamientos y caídas de pre-sión en el dispositivo de bombeo. Por supuesto hay que elegir en lo posible disolventes no tóxicos, no contaminantes, no inflamables y químicamente estables, además de considerar su coste incluyendo la posibilidad de su re-cuperación y reciclado. Los disolventes más utilizados en la práctica habi-tual son el agua, los aceites minerales y los hidrocarburos poco volátiles.

Hay dos modos de operar: la dispersión de una fase gaseosa en una fase líquida continua y la dispersión de un líquido en una fase gaseosa continua.

El equipamiento para estas operaciones es semejante al de la destila-ción, ya que se utilizan torres o columnas de relleno y de platos, así como torres de pulverización Venturi para el lavado de gases con mucha materia particulada o cubas de agitación por burbujeo y agitador mecánico.

Ejemplos de procesos de absorción son la disolución en agua de amonía-co contenido en aire, la disolución de dióxido de azufre en soluciones alcali-nas de dióxido de carbono, etc. También se utiliza para el control de emisio-nes de contaminantes por retención de, por ejemplo, compuestos azufrados, clorados y fluorados. En cuanto a la desorción, un buen ejemplo es la elimi-nación de hidrocarburos volátiles en mezclas de hidrocarburos pesados.


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Hay que distinguir aquí la ADSORCIÓN, que es un fenómeno distinto del de la absorción. Por adsorción se entiende la concentración de moléculas, iones, átomos e incluso partículas coloidales, sobre la superficie de un sóli-do (también un líquido) inmerso en un medio gaseoso. En este sentido es una operación de separación por transferencia de materia. La diferencia con la absorción es precisamente que ésta última tiene lugar en toda la masa del absorbente (disolvente) mientras que aquí se trata de un fenóme-no exclusivamente de superficie.

Se puede distinguir tres tipos principales de adsorción:

La adsorción de un gas puro por un adsorbente lo que se traduce en • una caída de la presión del gas al ponerse en contacto con la superfi-cie del adsorbente.

La adsorción de una mezcla gaseosa binaria en la que un componen-• te o los dos puede ser adsorbidos por un determinado adsorbente.

La adsorción de una mezcla líquida de varios componentes.•

Hay que advertir que es muy diferente la adsorción de gases permanen-tes (por encima de su temperatura crítica) y de vapores, cuya presión par-cial no puede superar la presión de saturación.

La adsorción física (o sorción) que se produce por fuerzas del mismo tipo que las fuerzas de Van der Waals, que fijan el adsorbato (componente que se separa) sobre la superficie del adsorbente en capas mono o multi-moleculares. Este tipo de operación es muy utilizado en la separación de componentes de mezclas. Es fácilmente reversible, alcanza con relativa ra-pidez el equilibrio, no es específico y la capacidad de adsorción disminuye con la elevación de la temperatura.

La adsorción química por la que la separación se establece por uniones que son fuerzas de enlace químico (compartición o transferencia de elec-trones), por lo tanto superiores en magnitud a las de Van der Waals. En es-tos casos no hay reversibilidad, se tarda en alcanzar el equilibrio, es espe-cífico (catálisis heterogénea, por ejemplo) y la adsorción aumenta con el crecimiento de la temperatura.

La regeneración del adsorbente también suele denominarse desorción (como en el caso de la absorción) o desadsorción. Se puede llevar a cabo mediante un aumento de la temperatura (por calentamiento del lecho), por


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arrastre con un gas inerte a estos efectos (aire, vapor de agua, etc.) o por ambos métodos a la vez.

La adsorción tiene numerosas aplicaciones debido a sus características peculiares que la diferencian de otras técnicas de separación:

Puede retener partículas muy pequeñas tales como los coloides.•

Puede retener cantidades muy pequeñas (componentes en concentra-• ciones muy bajas) como es el caso de impurezas u otras partículas (moléculas o iones) que pueden alterar colores, olores y sabores así como causar toxicidad.

Es muy selectivo y puede separar unos componentes de otros con • gran eficacia.

Las operaciones de adsorción comprenden varias etapas esenciales:

La fijación del adsorbato sobre la superficie del sólido adsorbente • hasta que se alcance la concentración esperada.

La desorción.•

La regeneración del adsorbente incluida la refrigeración y el secado.•

En general la fase de adsorción requiere bajas temperaturas y altas pre-siones mientras que la desorción, por el contrario, precisa temperaturas al-tas y presiones bajas.

Los métodos más utilizados son dos: la adsorción estática por simple con-tacto en una o varias etapas y la adsorción dinámica o en contracorriente.

La adsorción estática se realiza en un recinto cerrado en el que el adsor-bente finamente dividido (con el fin de ofrecer la mayor superficie posible en la menor cantidad de sólido) se introduce, mezclándose bien y con una distribución uniforme, en el fluido que contiene el adsorbato (componente a adsorber). Para ello se suele utilizar un mezclador para la puesta en con-tacto entre el líquido a tratar y el adsorbente, y un separador, normalmente un filtro, para apartar el líquido purificado del sólido utilizado. Si interesa el componente adsorbido se le recupera tratando el sólido con un disolven-te de dicho adsorbato seguido de una destilación o de una separación por arrastre de vapor que recupere el disolvente.

Se utiliza la adsorción estática con gel de sílice o alúmina cuando se tratan medios gaseosos posiblemente húmedos con el fin de reducir el gra-


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do de humedad y evitar procesos indeseables tales como la corrosión de materiales.

La adsorción dinámica (también llamada a veces percolación) se emplea particularmente con mezclas gaseosas. Consiste en hacer atravesar la corrien-te gaseosa una capa o lecho de adsorbente, que puede ser fijo, móvil o fluidi-ficado. En general tienen lugar tres etapas: la adsorción, en la que el gas atra-viesa una columna con el lecho de adsorbente de arriba abajo hasta que en el efluente comienza a aparecer trazas del componente a adsorber o hasta que su concentración en el efluente es la preestablecida. Se va formando y despla-zando hacia abajo un frente de separación que se denomina zona de transfe-rencia de masa (ZTM) hasta que alcanza la base inferior con lo que se llega (un poco antes) al punto de ruptura (punto crítico). A continuación se proce-de a la desorción del adsorbato o a la regeneración del adsorbente, mediante el cambio de condiciones de temperatura (calentamiento) y presión (reduc-ción total o parcial). Si no se desea recuperar el adsorbato (por ejemplo agua procedente de la humedad) se puede utilizar aire o un gas inerte caliente. Si por el contrario interesa su recuperación se puede utilizar vapor de agua, que posteriormente son conducidos a un condensador y a un separador, con lo que se separa por un lado el adsorbato y por el otro el agua condensada. Fi-nalmente hay que refrigerar o enfriar el sólido adsorbente mediante una co-rriente de aire frío para luego volver a comenzar otro nuevo ciclo.

La hiperadsorción o hipersorción es un proceso de adsorción o precola-ción en lecho móvil que permite un fraccionamiento por adsorción selecti-va de algunas mezclas gaseosas.

Entre las aplicaciones más frecuentes de la adsorción se encuentran el secado y purificación de los gases, el refino de productos petrolíferos, las catálisis de contacto, la deshumidificación y desodorización del aire, la de-coloración de líquidos, la cromatografía gaseosa, la recuperación de disol-ventes volátiles, etc.

6.1.5. Intercambio iónico

Los procesos en los que se intercambian iones corresponden a verdade-ras reacciones químicas entre iones en solución líquida e iones en una fase sólida insoluble (zeolitas, resinas, etc.) que están en contacto. Las técnicas que se utilizan son muy parecidas a las de la adsorción, por lo que no es


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extraño que algunos consideren que el intercambio de iones es un caso es-pecial de la citada operación básica.

Los intercambiadores de iones son sólidos insolubles de estructura poro-sa (o líquidos inmiscibles) que poseen iones «móviles» susceptibles de inter-cambio reversible con iones del mismo signo de soluciones de electrolitos con los que entra en contacto hasta alcanzar el equilibrio correspondiente, manteniendo en todo momento la neutralidad eléctrica de las cargas.

Los intercambiadores de iones acaban saturándose o agotándose por lo que tienen que ser periódicamente regeneradas con una solución concen-trada en los iones originales, produciéndose el mismo mecanismo de inter-cambio iónico.

Una aplicación muy extendida de estas operaciones es la del tratamien-to de aguas mediante la utilización de resinas de intercambio catiónico, que retienen los cationes alcalinotérreos y liberan los iones H+. Las resinas de intercambio aniónico retienen aniones de ácidos y liberan iones OH–. Fi-nalmente hay intercambiadores anfóteros que contienen simultáneamente aniones y cationes «móviles» capaces de ser intercambiados.

En razón de su naturaleza, existen intercambiadores minerales como ciertos aluminosilicatos cristalinos, arcillas, micas y zeolitas, además de un número creciente de minerales artificiales y los denominados tamices moleculares. Entre los intercambiadores orgánicos se encuentran resinas sintéticas

Aparte de la mencionada aplicación muy mayoritaria del tratamiento de aguas, el intercambio de iones se utiliza en técnicas de separación por cromatografía, purificación de medicamentos, catálisis de reacciones, etc.

6.1.6. Difusión de gases

Se trata aquí de la separación de mezclas gaseosas por diferencia de temperatura o por otros métodos. En general, el acondicionamiento de ga-ses por modificación de la humedad (o contenido de otros vapores) y tem-peratura. En particular, la humidificación y deshumidificación, que corres-ponden a una transferencia simultánea de materia y energía. En el capítulo anterior, [5.1.10] se trató un tipo de difusión gaseosa a través de membra-nas, en la que predomina la transferencia de cantidad de movimiento.


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6.2. OPERACIONES BÁSICAS DE TRANSFERENCIA DE ENERGÍA

Como ya se ha dicho, existen dos formas de la energía en tránsito: el ca-lor y el trabajo. Las operaciones básicas en las que se realiza transferencia o intercambio de trabajo suelen ser controladas esencialmente por la trans-ferencia de cantidad de movimiento y, como se acaba de tratar aunque solo sea sucintamente, tal fenómeno casi siempre va acompañado de transferen-cia de energía mecánica (flujo de trabajo mecánico, energía cinética y ener-gía potencial). Más adelante se tratará como operaciones complementarias algunas que entrañan predominantemente el desarrollo de un trabajo me-cánico, como ocurre con la fragmentación, trituración y molienda de mate-riales sólidos, la aglomeración y compactación, el tamizado, etc.

En consecuencia, en este apartado dedicado a las operaciones de trans-ferencia de energía se tratará exclusivamente las operaciones controladas esencialmente por la transferencia de calor, sin perjuicio de que también se recoja más adelante las operaciones de transferencia simultánea de mate-ria y energía.

6.2.1. Mecanismos de transmisión de calor

Hay que recordar que los flujos netos de energía calorífica tienen lugar en el sentido de un gradiente decreciente de temperaturas (desde el punto de mayor temperatura al de menor temperatura), lo que convierte a la di-ferencia de temperaturas en la fuerza impulsora de la transferencia de ca-lor (Ley de Fourier, [1.15] y [1.16]), o en su caso, la diferencia o gradiente de otra función de la temperatura (Ley de Stefan-Boltzmann, sobre la energía emitida por unidad de tiempo por el cuerpo negro a una tempera-tura T que resulta ser directamente proporcional a la cuarta potencia de T expresada en Kelvin, siendo la constante de propocionalidad la denomina-da de Stefan-Boltzmann).

Los mecanismos de transmisión de calor (1.6) son tres: conducción, convección y radiación. También hay que recordar la relación entre tempe-ratura y energía cinética media atómica-molecular.

La conducción de calor supone el flujo de calor a través de un medio material continuo conductor por la existencia de un gradiente de tempera-tura, en el sentido decreciente, sin desplazamiento de materia desde el pun-


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to de vista macroscópico. A nivel atómico-molecular este mecanismo con-siste en la transmisión de energía mecánica por vibración de átomos, iones o moléculas en las estructuras sólidas, circulación de electrones en los me-tales, y desplazamiento de átomos, iones y moléculas en gases y líquidos.

La convección se refiere a diversos volúmenes de fluido (gas o líquido) que se desplazan con una determinada entalpía en función de la tempera-tura. La convección natural se basa en el desplazamiento por diferencias de densidades provocadas por gradientes de temperatura en el seno del fluido. La convección forzada es el resultado de transmisión de energía por medios mecánicos: bombeo, agitación, etc. que provocan el desplazamien-to de masas (grandes conjuntos de moléculas, átomos o iones) del fluido.

La radiación es el intercambio de energía mediante ondas electromag-néticas (y en su caso fotocorpusculares), lo que puede realizarse sin sopor-te material alguno (en el vacío) o a su través. La transmisión de energía ra-diante hacia un medio material da lugar a su transmisión a través de él, siendo parte reflejada, parte absorbida y parte emitida de nuevo. Cuando se absorbe puede convertirse en calor.

Los fenómenos relacionados con la radiación se suelen tratar aparte de los de conducción y convección, ya que tienen otras connotaciones que no siempre están relacionadas con la forma calorífica.

6.2.2. Dispositivos de intercambio de calor

Sin perjuicio de tratar más adelante los relacionados con la transferencia simultánea de materia y energía, se describen brevemente a continuación los principales dispositivos ya relacionados en la Unidad 4, en la Tabla 4.2.

Los intercambiadores de calor tienen por finalidad la variación de tem-peratura de una corriente fluida (calentamiento o refrigeración, según el caso), mediante el intercambio de calor, a través de una superficie conduc-tora que los separa, con otra corriente fluida (calentador o refrigerante). Este sistema es de una muy amplia utilización en la industria, no solo para mantener las distintas corrientes de fluidos a su temperatura adecuada en cada proceso, sino también para el ahorro y aprovechamiento energético.

Existen muchos tipos de intercambiadores de calor, distinguiéndose los siguientes:


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Intercambiadores de doble tubo• , que consisten en dos tubos concéntri-cos, uno envolviendo al otro, con sendos flujos que se intercambian calor a través de la pared intermedia común.

Intercambiadores tubulares• , constituidos por haces de pequeños tu-bos dispuestos paralelamente dentro de un cuerpo o carcasa. Los dos flujos que se intercambian calor, uno discurre por el interior de los tubos y otro por el exterior de éstos (bañándolos) pero en el interior de la carcasa, que suele ser de forma cilíndrica.

Intercambiadores de placas• , que semejante al anterior tipo tiene en lu-gar de los tubos de pequeño diámetro, placas planas con estrías.

Los hornos son cámaras que utilizan el calor, mayoritariamente ra-diante, proporcionado por la combustión de materiales combustibles en su interior. Se utilizan para calentar tanto materiales sólidos como corrientes de fluidos.

Los evaporadores se basan en el cambio de estado de una fase líquida a vapor. En este apartado se trata el efecto de intercambio de calor por va-porización, obtención de vapor a partir de un líquido (calor latente de cam-bio de estado, calor de vaporización), así como la finalidad de concentra-ción de un componente, que ya se han tratado en el apartado anterior respecto a los aspectos de transferencia de materia que implica este fenó-meno (destilación y rectificación). Muchas veces se utiliza una combina-ción en serie de evaporadores en la que la salida de uno alimenta al otro (evaporadores de múltiple efecto).

Los condensadores realizan el intercambio de calor por condensación de una fase vapor en líquida, con la utilización de un líquido frío. Esto se logra con dispositivos parecidos a los intercambiadores de calor o bien por pulverización (ducha) del líquido frío sobre los tubos o láminas que contie-nen el vapor a condensar.

6.3. OPERACIONES BÁSICAS DE TRANSFERENCIA SIMULTÁNEA DE MATERIA Y ENERGÍA

Aunque en la gran mayoría de operaciones básicas tienen lugar trans-ferencia simultánea tanto de energía como de materia y también de canti-dad de movimiento, se consideran a continuación algunas operaciones en


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las que la entidad de la transferencia de energía es equiparable a la de la transferencia de materia y su control puede corresponder a ambas simul-táneamente. En el apartado anterior ya se ha tratado, aunque somera-mente, las operaciones en las que predomina la transferencia de energía, intercambio de calor, calentamiento y enfriamiento, cambio de estado, sin olvidar la posible importancia en muchos casos de la transferencia simul-tánea de materia.

6.3.1. Operaciones de interacción aire-agua

Sin olvidar que también hay mecanismos en los que interviene otro componente distinto del agua, se trata aquí de diversas operaciones muy extendidas en la industria y que se basan en las interacciones entre aire y agua. El componente volátil que se transfiere es el vapor de agua, que pasa de un estado o fase a otro, con el consiguiente efecto térmico de su elevado calor latente de cambio de estado (vaporización y condensación). Se desta-can tres tipos de operaciones: la humidificación del aire, la deshumidifica-ción del aire y el enfriamiento de agua.

Normalmente la humidificación y deshumidificación se refieren al con-trol de la humedad del aire. En la humidificación se pone en contacto el aire seco con una corriente de agua relativamente caliente que con su va-porización aporta un aumento del grado de humedad.

En la deshumidificación, independientemente de otras operaciones ya estudiadas (absorción y adsorción), el aire húmedo se pone en contacto con agua fría que provoca una cierta condensación de la humedad transfi-riéndola a la corriente de agua en forma líquida. En ambas operaciones, humidificación y deshumidificación, a la par que se transfiere materia (agua en forma de vapor o líquida) tiene lugar una importante transferen-cia de calor en virtud del cambio de estado de la propia agua.

Lo mismo ocurre con las torres de enfriamiento u otros dispositivos, en los que el agua caliente procedente de otros procesos, muchas veces inter-cambiadores de calor, se pone en contacto con una corriente de aire seco que provoca su vaporización y con ello el enfriamiento del agua líquida (pérdida de calor por transferencia del calor latente de vaporización) mien-tras que se libera aire húmedo y vapor de agua («humos» blancos caracte-rísticos de la salida de estas torres de refrigeración, muy «típicas» de las


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centrales nucleares convencionales y que supone solo vapor de agua). Su mecanismo es el siguiente: el agua caliente se introduce por la parte supe-rior de la torre y atraviesa el relleno encontrándose con una corriente as-cendente de aire que sube bien por convección natural o bien por convec-ción forzada mediante ventiladores o soplantes. El agua, ya enfriada, se evacua por la parte inferior. El aire seco también se introduce por la parte inferior, por encima del recipiente donde se deposita el agua líquida que desciende de la torre.

En todas estas operaciones interesa que la superficie de contacto entre ambas fases sea lo mayor posible. Además conviene inducir y mantener en la fase gaseosa un régimen turbulento que facilite la admisión de agua des-de la fase líquida. Entre el utillaje que se utiliza están las cámaras y torres de rociado y pulverización y las torres de relleno.

6.3.2. Operaciones de secado de sólidos

Corrientemente en la industria química, después de una separación lí-quido-sólido (por filtración, centrifugación, decantación, precipitación por concentración, etc.) es necesario eliminar los líquidos que contienen los sólidos separados. Esta eliminación se suele hacer por evaporación. Aun-que los mecanismos son análogos para cualquier líquido, aquí se hablará exclusivamente del agua, no solamente por comodidad sino por ser mayo-ritaria su implicación en operaciones de secado.

Fundamentalmente se pueden distinguir dos tipos de secado: la elimi-nación del vapor de agua por la acción de la corriente de aire (u otro gas), el secado por arrastre, y el secado por ebullición.

En el secado por arrastre la temperatura de la corriente de aire o gas es su-perior a la del producto a secar y la presión de vapor del líquido que impregna su superficie es inferior a la presión ambiental existente en el dispositivo.

En el secado por ebullición la presión de vapor del líquido a eliminar coincide con la presión existente en el equipo. La temperatura corresponde a la de ebullición para esta presión.

El secado consigue eliminar el agua libre, depositada sobre la superfi-cie del sólido, algunas veces se consigue eliminar el agua absorbida pero difícilmente se puede retirar el agua que está ligada químicamente (hidra-


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tos, por ejemplo). Se recomienda repasar el equilibrio agua-vapor y los diagramas de aire húmedo, estudiados en anteriores cursos.

La transferencia de materia se obtiene por evaporación o vaporización (o por sublimación) mediante el calentamiento del sólido húmedo. Las principales formas de secado son:

Secado directo por convección o por arrastre.•

Secado indirecto por conducción o contacto.•

Secado por radiación.•

Secado por pérdidas dieléctricas.•

El tipo de secado más utilizado en la industria química es el primero, secado directo, produciéndose el intercambio de calor por contacto directo entre el sólido húmedo y el aire caliente, que actúa como medio de trans-porte para la fase vapor. La circulación del aire como agente secante puede ser por convección natural o forzada, pudiendo circular el aire y el sólido en el mismo sentido (paralelamente) o en contracorriente. Este último, más eficaz, se utiliza cuando los materiales a secar son poco sensibles al choque térmico. También se puede realizar el secado sobre el material en reposo, insuflando el aire de secado paralelamente a la superficie de eva-poración. Para procesos continuos se utilizan secaderos de platos o discos, neumáticos (flash dryers), rotatorios, atomizadores, de túnel y de lecho fluidizado. En los procesos discontinuos se utilizan estufas de armario.

Precalentamiento

Lechofluidizado

Ventilador

Ciclón

Figura 6.4. Secador de lecho fluidizado.


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Generalmente el aire que se utiliza es reciclado parcialmente y vuelto a utilizar, convenientemente mezclado con aire fresco.

El secado por conducción se obtiene mediante el intercambio calorífico entre el sólido húmedo y una superficie metálica recalentada por un flui-do, eliminándose el vapor generado por aspiración en vacío o por arrastre. Se utiliza para el secado de productos pastosos, pulverulentos, en suspen-sión, a tiras (papel, telas, etc.). Para los procesos continuos se emplean dis-positivos con cilindros, tambores rotatorios, a tornillo (helicoidales), con tubos o discos y mesas vibratorias. En los discontinuos se utilizan reci-pientes con agitación, congeladores, rotatorios en vacío, con platos o dis-cos sometidos al vacío.

Figura 6.5. Secador de tambor.

En el secado por radiación se utilizan fuentes de rayos infrarrojos (se-cado de papel, cartón, tejido, etc.) o generadores de microondas (cerámica, celuloide, productos farmacéuticos, etc.), con el fin de que el sólido húme-do absorba calor.

En el secado por pérdidas dieléctricas se sitúa el material a secar en un campo eléctrico que cambia de polaridad con una cierta frecuencia, lo que provoca el calentamiento. Se utiliza el calentamiento por altas frecuencias, de 10 a 300 MHz (productos textiles, por ejemplo).


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6.3.3. Cristalización

La cristalización supone un cambio de estado en medio líquido (fundi-do o disuelto) o gaseoso para la formación de una fase sólida cristalina.

Si se parte de una sustancia en estado de vapor o que esté fundida ha-brá que proceder a un enfriamiento para que se formen los correspondien-tes cristales. Pero si se trata de una sustancia disuelta en un líquido los cristales se obtienen por evaporación del disolvente, por variación de la temperatura con lo que varía en función de ésta la solubilidad, o por adi-ción de otro soluto que favorezca la cristalización. En general se distin-guen, pues, tres tipos de operación de cristalización: en fase gaseosa (muy pocos casos a nivel industrial: cloruro de aluminio, anhídrido ftálico...), en baño fundido y en solución.

La cristalización es una operación básica muy eficaz tanto de purifica-ción de sustancias como de separación, que supone una transferencia si-multánea de materia y energía. Se recomienda repasar los estudios de cur-sos anteriores sobre este tema, en particular, la solubilidad.

La velocidad de esta operación depende de la de formación de nú-cleos o «gérmenes» de cristalización que son pequeños cristales, que a su vez duele verse favorecida por altas temperaturas, por la agitación o por una alta velocidad de enfriamiento. También depende de la veloci-dad de crecimiento de los cristales a partir de esos núcleos que está rela-cionada con la diferencia de concentración entre la superficie del sólido y la solución.

La cristalización en baño fundido se realiza en la mayoría de los casos comenzando por la fusión del sólido a purificar para luego añadir en el momento adecuado el disolvente apropiado.

La cristalización simple es aquella que parte de dos componentes, disol-vente y soluto (con o sin impurezas) con el fin de recuperar el soluto.

La cristalización fraccionada consiste en una cristalización sucesiva de varios componentes o fracciones a partir de un determinado producto bru-to con el fin de purificarlo.

Normalmente en las operaciones de cristalización se tiende a producir una sobresaturación de una solución de partida para que se desarrollen


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los cristales a partir de la solución saturada. Los diversos métodos se ba-san en:

Evaporación del disolvente.•

Enfriamiento de la solución.•

Evaporación y enfriamiento combinados.•

Adición de una tercera sustancia soluble.•

Precipitación de una sustancia insoluble producto de la reacción en-• tre dos componentes solubles.

Existe numerosos dispositivos de cristalización cuya elección depende de los diferentes objetos de la misma: industria farmacéutica, química, ali-mentaria, joyería, etc. En general se utilizan cristalizadores por enfria-miento, por evaporación, de vacío, de sólidos fundidos.

6.3.4. Sublimación y liofilización

La sublimación consiste en el paso directo de la fase sólida a la de va-por, mientras que lo contrario, de vapor a sólido es la sublimación inversa o desublimación. De esta manera también se puede conseguir la separa-ción de un sólido de impurezas menos volátiles, por ejemplo, por disminu-ción de la presión total hasta un valor menor que la presión de vapor de saturación a una temperatura determinada o por disminución de la pre-sión parcial a la presión ambiental (atmosférica) con o sin la ayuda de un gas portador. Esta operación suele ser costosa por lo que se restringe su empleo en aquellos casos que se obtienen productos de alto valor añadido. Por ejemplo: naftaleno, ácido salicílico, ácido benzoico, pirogalol, yodo, arsénico, magnesio, hexafluoruro de uranio...

La aplicación más importante es la liofilización o criodesecación, que combina la acción del frío (congelación) y del vacío con lo que se produ-ce la sublimación de lo congelado al estado de vapor sin pasar por la fase líquida. De esta manera se obtienen productos secos de gran cali-dad, particularmente en lo que atañe a las características organolépticas en los productos de la alimentación y de la farmacia, con mantenimien-to de las calidades biológicas y no destrucción de las vitaminas y otros componentes.


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Para lograr una liofilización de calidad hay que empezar por una con-gelación muy rápida a una temperatura conveniente, evitando la forma-ción de cristales de gran tamaño que podrían dañar las calidades estructu-rales de los tejidos y, por lo tanto, la textura del producto.

La sublimación se efectúa en vacío más o menos alto sobre el producto congelado con el fin de eliminar el agua libre. Se alcanza con un cierto aporte de calor a una temperatura muy ajustada con el fin de mantener un equilibrio a nivel del producto, que no debe fundir o licuarse pero que debe transcurrir en el menor tiempo posible, por economía. Así se obtiene el producto liofilizado.

Puede realizarse la liofilización en un proceso continuo a presión at-mosférica mediante la inmersión del producto congelado en un lecho flui-dizado de adsorbente a temperatura inferior al punto de fusión.

Para separar el agua residual que puede quedar unida hay que efectuar una segunda desecación mediante desorción en vacío y a alta temperatura para acelerar el proceso.

Hay una diversidad de instalaciones para la liofilización pero, en gene-ral, se emplean evaporadores con estantes para el producto a liofilizar, con-densadores (placas frías o serpentines), bomba de vacío y dispositivos com-plementarios.

La liofilización se halla muy extendida en la industria alimentaria y en la farmacéutica.

Tema 7

Operaciones complementarias

7.1. Operaciones básicas complementarias

7.1.1. Clasificación y tamizado7.1.2. Transporte de sólidos7.1.3. Fragmentación y aglomeración

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OBJETIVOS

Comprender los principios y función de las operaciones básicas complemen-• tarias.

Conocer y comprender las principales operaciones complementarias referi-• das al estado sólido.

7.1. OPERACIONES BÁSICAS COMPLEMENTARIAS

A continuación se tratan operaciones básicas complementarias o auxi-liares cuyo objetivo es el acondicionamiento de materia sólida, más o me-nos fragmentada o particulada, para que pasen de modo adecuado a otras fases del proceso o a otras operaciones e incluso en el punto final para su presentación comercial o a otros destinos.

En estas operaciones hay que tener en cuenta ciertas características pe-culiares del estado sólido, como la dureza y abrasividad, la friabilidad o mayor o menor facilidad de desmenuzarse o disgregarse (posibilidad de generar polvo, por ejemplo), la adherencia a superficies (paredes, etc.) que puede dificultar su manipulación y causar obstrucciones, la higroscopici-dad y delicuescencia, el grado de división y granulometría, la mayor o me-nor resistencia a la deformación, etc.

7.1.1. Clasificación y tamizado

La clasificación consiste en subdividir o separar un material sólido par-ticulado o fragmentado, según los tamaños de las partículas que lo consti-tuyen. Para ello se pasar el material a través de una serie sucesiva de ma-llas con una luz de paso determinado que van dejando atravesar las


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partículas de menor tamaño que el de dicho espacio permitido por la luz. El conjunto de materia particulada que atraviesa las mallas recibe el nom-bre de cernido, mientras que las que quedan retenidas, por impedírselo su tamaño respecto el tamaño de la luz de la malla, se conocen por la denomi-nación rechazo.

Las dimensiones de las mallas están normalizadas y constituyen los ta-mices. Generalmente están construidos con materiales metálicos o plásticos.

Es muy frecuente que las operaciones de clasificación sigan a las de tri-turación y molienda.

Las operaciones de tamizado o cernido se realizan aplicando un movi-miento de vaivén o vibración a los cedazos o tamices que contienen las mallas. El movimiento de vaivén puede realizarse manualmente con ceda-zos o tamices manuales o de manera mecánica o por agitación electro-magnética.

Los clasificadores hidráulicos y neumáticos son operaciones de sedi-mentación tratadas en el tema 5 anterior.

7.1.2. Transporte de sólidos

El transporte de la materia sólida particulada o fraccionada es bastante más complejo que el transporte de fluidos.

Si se requiere un traslado a una distancia relativamente larga el trans-porte no puede ser más que una operación discontinua que requiere me-dios de manutención o maquinaria (carretillas, por ejemplo) o vehículos de transporte

A media y corta distancia, además de los medios discontinuos conven-cionales, se utilizan dispositivos continuos.

Las cintas transportadoras son ampliamente utilizadas en la industria bajo diversas modalidades, todas caracterizadas por su versatilidad y mul-tiplicidad de usos, tanto para materia disgregada como para productos se-miacabados e incluso terminados, permitiendo salvar distancias de varios centenares de metros, aunque con dificultades para curvas y pendientes un poco elevadas. Se construyen sobre la base de una cinta continua sin fin que es movida y soportada por rodillos, cargándose por un extremo y des-

OPERACIONES COMPLEMENTARIAS

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cargándose por el otro, pudiendo también descargarse en puntos interme-dios por dispositivos sencillos que apartan a la materia vertiéndola por uno o ambos lados de la cinta.

El transporte por dispositivos de tornillo sin fin o helicoidales en el in-terior de un canal, cerrado o abierto, tienen su aplicación más idónea para el transporte de polvo muy fino o para materiales pastosos o semifluidos.

Otro dispositivo es el que utiliza sacudidas o vibraciones sobre un canal abierto de sección rectangular o trapezoidal para trasladar de un extremo a otro material, generalmente agrícola o mineral, hasta unas distancias de unos veinte metros.

Para salvar diversas alturas (transporte vertical) se utilizan aparatos de elevación o elevadores. Los dispositivos verticales con canales dispuestos helicoidalmente se utilizan solo para el descenso de productos sólidos (tipo tobogán). Otro tipo de dispositivos se basan en un tornillo sin fin (helicoi-dales en el seno de un tubo cilíndrico) o con un canal helicoidal que utiliza sacudidas o vibraciones para impulsar el movimiento de desplazamiento del material. Los que más se utilizan son los dispositivos a base de cangilo-nes o cucharas o pequeños contenedores dispuestos sobre una doble cade-na movida por un mecanismo de ruedas dentadas. Estos cangilones o con-tenedores en el viaje de ida van cargados (posición hacia arriba) y en el de vuelta vacíos (posición hacia abajo, volcados). Una variante son los dispo-sitivos a base de platos u otros contenedores parecidos en un recinto cerra-do vertical de ida y vuelta.

Existen otros tipos de transporte, hidráulicos y neumáticos en conduc-ciones mediante fluidos transportadores como agua o gases inertes como aire o nitrógeno, en cuyo caso se habla de fluidización.

7.1.3. Fragmentación y aglomeración

Las operaciones de reducción de tamaño de los materiales sólidos por rotura reciben diversas denominaciones según el tamaño (trituradores, quebrantadores, desbastadores, fragmentadores, molinos, pulverizadores, micronizadores, desintegradores, etc.). En todo caso se someten las distin-tas piezas o elementos del material a esfuerzos mecánicos de compresión, corte, cizalla, impacto, fricción, etc.


174

Generalmente se aplica el nombre de trituración cuando se tratan gran-des tamaños. Se utilizan trituradoras de mandíbulas (una placa fija y otra móvil, oscilante, aprisionan, golpean y comprimen el material), rotatorias cónicas, de rodillos lisos, de rodillos dentados, etc.

Se habla de molienda cuando el tamaño es relativamente pequeño. Pre-domina el efecto mecánico de fricción e impacto de elementos móviles. Se utilizan molinos de bolas (bolas en el interior de material muy duro, cerá-mico o de acero) que fraccionan el producto al girar y golpear las bolas en su interior; molinos de barras de acero en el interior de un cilindro hori-zontal que gira sobre su eje; molinos de martillos oscilantes en el interior, molinos de discos, muelas, etc.

Figura 7.1. Trituradora de martillos.

Los molinos de chorreado consisten en provocar una fuerte corriente de aire transportador del material que provoca choques entre las propias partículas produciéndose su mayor fragmentación o división.

La operación contraria a la fragmentación persigue el aumento de ta-maño, generalmente a partir de un polvo más o menos fino. Esto interesa por diversos motivos, como un mejor almacenamiento y transporte, mejor dosificación, imposiciones de uso como ocurre en la industria alimentaria (azúcar, pastas, por ejemplo) y farmacéutica, etc. El nombre más común de este tipo de operaciones es aglomeración. Cuando se utiliza medios me-cánicos (generalmente de compresión) para juntar o reunir partículas pe-queñas para formar otras más grandes se habla de compactación. Si no se utilizan medios mecánicos se suele hablar de granulación.

OPERACIONES COMPLEMENTARIAS

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La aglomeración puede conseguirse por enlaces sólidos entre partículas mediante fusión completa, sinterización, cristalización por enfriamiento, reacción química, etc. Otro modo de conseguirlo puede ser por medio de un líquido no viscoso (por ejemplo, agua) que establece una ligazón entre partículas por fuerzas capilares al mojarlos. También se utilizan líquidos muy viscosos que pueden adherirse a las partículas sólidas mediante finas capas adherentes.

Tema 8

Ingeniería de reactores y tecnologías especiales

8.1. Nociones previas para el cálculo de reactores

8.2. Tipos de reactores

8.3. Breve aproximación al cálculo de reactores

179

OBJETIVOS

Conocer y comprender las nociones previas para el cálculo de reactores.•

Conocer los principales tipos de reactores químicos.•

Conocer y comprender los principales métodos del cálculo de reactores.•

8.1. NOCIONES PREVIAS PARA EL CÁLCULO DE REACTORES

Los capítulos anteriores han estado dedicados a las denominadas ope-raciones básicas físicas que fundamentalmente tienen por objeto la prepara-ción de los componentes que son introducidos en el reactor (o los reacto-res) y la terminación del proceso a partir de los productos y otros componentes que salen del mismo. En tales procesos, en los que delibera-damente se desencadenan (o se controlan) reacciones, éstas y los lugares donde tienen lugar constituyen la parte central o nuclear. Obviamente no será el caso en aquellos procesos en los que no transcurre ninguna reac-ción o en los que caso de producirse alguna transformación química no re-viste especial relevancia.

En este capítulo se aborda muy someramente las operaciones básicas químicas, cuyo estudio es tan extenso como lo es el inmenso número de reacciones conocidas que tienen implicaciones industriales. Aquí no es tan útil una clasificación de los posibles tipos de operaciones ya que existe mu-cha variación y cada caso tiene sus peculiaridades. Lo mismo ocurre con los dispositivos donde se llevan a cabo estas operaciones: los reactores. No obstante en un estudio más detallado se distinguen operaciones básicas ta-les como nitración, esterificación, fermentación, carbonilación, hidrogena-ción, reformado (aromatización), electrólisis, hidrólisis, oxidación, cra-queo, etc.


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Para el objetivo de este curso basta con tratar con carácter general la operación básica química, centrada en la reacción química y cuyo diseño responde a unos principios comunes.

Hay que repasar previamente los principios de química aprendidos en cursos anteriores, especialmente la cinética química, los equilibrios químicos y la termodinámica. En este capítulo tan solo se hará una bre-ve referencia a algunos aspectos, a modo de recordatorio, dando por sa-bido y comprendido los principios y conceptos referidos a las reacciones químicas.

8.1.1. Generalidades sobre las reacciones químicas

Las reacciones químicas son transformaciones de la materia que parten de unas especies químicas para dar lugar a otras especies químicas dife-rentes, en virtud de una reordenación diferente de los átomos que las cons-tituyen. En general se parte de una o varias especies (reactivos) que pues-tos en contacto (en un reactor químico) reaccionan para dar otras especies (o una sola) diferentes (productos).

El diseño del proceso y, en consecuencia, de los reactores, debe tener en cuenta el objetivo que se persigue (no es lo mismo, por ejemplo, obte-ner un producto para su comercialización que quemar un combustible para utilizar la energía desarrollada en la reacción o tratar un resi-duo para evitar contaminar el medio ambiente). Lógicamente el diseño debe basarse en las condiciones óptimas (fases, velocidad, grado de transformación, etc.).

El sistema químico puede llegar a encontrarse en un estado estable por no reaccionar los componentes que lo constituyen (nitrógeno y oxígeno en el aire a temperatura y presión normales) o por haber alcanzado un equili-brio estable; un estado inestable por reaccionar espontáneamente algunos componentes (la transformación de la cal viva, óxido de calcio, por contac-to con el agua, en cal apagada, hidróxido de calcio) o metaestable o falso equilibrio.

En el desarrollo de una reacción química es esencial conocer si, en las condiciones concretas en las que evoluciona, es endotérmica o exotérmica y si transcurre con aumento o disminución de volumen.

INGENIERÍA DE REACTORES Y TECNOLOGÍAS ESPECIALES

181

Salvo en las reacciones completas, en las que se finaliza al consumirse totalmente al menos uno de los reactivos, y obviamente en las no posibles, muchas reacciones son equilibrios endotérmicos o exotérmicos, en los que es muy valioso la aplicación del Principio de Le Chatelier, mediante el cual si en un sistema en equilibrio se altera un factor que caracteriza su estado (composición: por ejemplo, variación de la concentración de un compo-nente; presión; temperatura...) ese sistema reaccionará desplazando el equilibrio en el sentido en el que se contrarresta tal acción. (Principio más general de acción-reacción).

En la práctica la gran mayoría de procesos químicos implican reaccio-nes más o menos complejas, con varios caminos posibles y productos in-termedios más o menos estables, particularmente iones, átomos aislados y radicales a causa de las diversas escisiones de los enlaces químicos y del consiguiente reordenamiento que implica toda reacción.

8.1.2. Tipos de reacciones

Entre todas las clasificaciones que se ofrecen para las reacciones quí-micas aquí tienen interés las siguientes.

Las reacciones heterogéneas, que transcurren con sustancias en distintas fases: bifásicas sólido-líquido, sólido-gas, sólido-sólido, líquido-líquido, líquido-gas, etc; trifásicas gas-líquido-sólido, etc; polifásicas...

Las reacciones homogéneas, que transcurren de modo uniforme en una sola fase, generalmente líquida o gaseosa.

La catálisis es una modificación selectiva de la velocidad de una o va-rias reacciones posibles que se desarrollan simultáneamente, mediante la intervención de una tercera sustancia, catalizador, que permanece inaltera-da al final del proceso. La catálisis, según que el catalizador esté en la mis-ma fase que los componentes de la reacción o no, puede ser homogénea o heterogénea.

Según su estequiometría las reacciones se clasifican de la siguiente manera:

Simples• : una sola ecuación estequiométrica,

R → P


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Múltiples• : descritas por más de una ecuación estequiométrica.

En serie:

A → B ; B → C

A → B → C

En paralelo:

A → B ; A → C.

Consecutivas:

A + B → C ; C + B → D

Las reacciones elementales son aquellas cuya ecuación cinética se co-rresponde con la estequiométrica:

A + B → C – rA = k · cAcB .

Las reacciones no elementales, la mayoría, tienen una ecuación cinética que no se corresponde a la ecuación estquiométrica siendo su expresión matemática bastante más compleja.

8.1.3. Termodinámica química

En términos químicos un sistema puede venir determinado por un po-tencial químico que supondrá su estabilidad o inestabilidad con respecto a otros sistemas con potenciales químicos es superior o inferior al suyo. Para conocer si una reacción química, descrita por una ecuación estequiométri-ca, es posible o no, hay que recurrir a las variables termodinámicas, espe-cialmente la energía libre de Gibbs:

G = H – T · S (a T [en Kelvin] y a P constantes)

ΔG = ΔH – TΔS

Esta última expresión indica que una reacción a temperatura y presión constantes es espontánea si ΔG < 0, ya que todo sistema tiende a evolucio-


183

nar hacia el estado de mínima energía libre. En este sentido se puede pre-ver que para que una reacción sea completa la entalpía ΔH debe tener un valor negativo y cuantitativamente elevado y que la entropía ΔS sea positi-va y lo mayor posible (conjuntamente con la temperatura T en Kelvin). En consecuencia se puede pensar que un sistema químico tenderá a evolucio-nar en el sentido de liberar energía (calorífica, eléctrica, etc.) [reacciones exotérmicas] tendiendo al mínimo de entalpía (Regla de Bertholet) y en el sentido de formar el mayor número de moléculas gaseosas tendiendo al máximo de entropía (Regla de Matignon), pero siempre que se cumpla que ΔG < 0, para una determinada temperatura y presión constantes.

Cuando ΔG > 0 la reacción descrita por la correspondiente ecuación es-tequiométrica es prácticamente imposible siendo la de sentido contrario la espontánea.

En el caso de que ΔG = 0 la reacción se estabiliza al haberse alcanzado un equilibrio químico. Para estos casos hay que recordar las expresiones de la constante de equilibrio en función de las actividades de los compo-nentes (en primera aproximación, las concentraciones, o en su caso, las presiones parciales). En particular la expresión:

ΔG = ΔG0 + RT lnQ

donde ΔG0 es la energía libre estándar de la reacción (diferencia entre la suma de energías libres estándar de formación de los productos menos la suma de energías libres estándar de formación de los reactivos), Q el co-ciente o relación algebraica entre productos y reactivos y ΔG la energía li-bre de reacción para una determinada composición del sistema a una tem-peratura constante dada. En el equilibrio ΔG = 0 y Q = K (constante de equilibrio), con lo que:

ΔG0 = –RT lnK

8.1.4. Cinética química

El principal objetivo de la cinética química es el estudio de la velocidad de reacción y la influencia sobre su valor de diferentes factores tales como la temperatura, presión, composición, presencia de catalizadores o retar-dadores, etc.


184

La velocidad de reacción es un dato esencial para el cálculo y diseño de procesos químicos ya que, por ejemplo, determina la cantidad de producto que se puede obtener por unidad de tiempo.

Si en un equilibrio como el siguiente:

αA + βB ↔ γC + δD

–dnA y –dnB moles de A y de B, respectivamente, desaparecen en un perío-do de tiempo dt, para dar lugar a formar dnC y dnD moles de C y de D, las variaciones de sus concentraciones están determinadas por la relación:

–dnA/α = –dnB/β = dnC/γ = dnD/δ = dX

donde X es el grado de avance o de conversión de la reacción (ver 11.2.2). El valor de X varía desde 0, antes de iniciar la reacción, hasta 1 cuando la reacción es completa.

En consecuencia se define la velocidad de la reacción como:

r = dX/dt

También puede definirse en función de la concentración C de uno de los reactivos o de uno de los productos, como, por ejemplo:

–rA = –dCA/dt = k(CA)a (CB)b

donde a y b son los órdenes de reacción de A y de B, en general diferentes de los coeficientes estequiométricos α y β, y n = a + b es el orden global de la reacción; k es la constante de velocidad de reacción a temperatura cons-tante (también velocidad específica).

Arrhenius estableció una relación general, válida para muchos casos, para la constante de velocidad en función de la temperatura:

k = k0 e(–Ea/ RT)

donde k0 es el factor de frecuencia, que depende de la geometría de las mo-léculas, Ea es la energía de activación, en kJ/mol; R la constante universal de los gases y T la temperatura absoluta en K.


185

La energía de activación Ea es la energía suplementaria que se necesita para activar las moléculas y que deben superar los reactivos para que se produzca la reacción química. Alcanzada esta energía de activación, el sis-tema formado por los reactivos se transforma en un complejo activado en un estado de transición, que puede evolucionar hasta otro estado formado por los productos en los que se han transformado los reactivos. La energía de este estado final siempre será inferior a la del complejo activado pero puede ser mayor que la del sistema inicial (reacciones endotérmicas) o me-nor (reacciones exotérmicas).

Cuanto mayor es el valor de la energía de activación la reacción es más lenta (Es necesaria una mayor energía para que puedan superar las mo-léculas reaccionantes esa Ea.)

La gran mayoría de las reacciones químicas son bastante complejas y pueden seguir diversos caminos y desarrollarse en diversas etapas. En este sentido el mecanismo de la reacción consiste en la descripción de una reac-ción con todo el detalle necesario de sus estados de transición o intermedios.

La selectividad es un parámetro que define con respecto a un reactivo A, la cantidad de este que se convierte en un determinado producto C. Su va-lor es el cociente entre los moles del producto obtenido y los moles consu-midos del reactivo, y oscila entre 0 y 1.

El rendimiento es el porcentaje (o el tanto por uno) de moles de un pro-ducto obtenido, con relación a los del reactivo considerado.

8.1.5. Catálisis

Se puede modificar convenientemente los mecanismos de reacción con el fin de acelerar una reacción aumentando su velocidad mediante la pre-sencia de pequeñas cantidades relativas de sustancias denominadas catali-zadores. Esta acción de los catalizadores de modificar, aumentándolas, las velocidades de reacción, se denomina catálisis. Al finalizar todo este proce-so los catalizadores permanecen prácticamente inalterados

Los catalizadores actúan selectivamente acelerando una o varias de las reacciones posibles o intermedias, con lo que a la par que se aumenta la velocidad de reacción se orienta ésta en el sentido de obtener unos produc-tos finales antes o en mayor cantidad que otros.


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Para alcanzar esta situación, durante la catálisis el catalizador se asocia temporalmente con uno o más reactivos, para finalmente volver a su esta-do inicial, por lo que no se consume y, en consecuencia, bastan pequeñas cantidades relativas para una plena actuación. Otra característica a tener en cuenta es la de que un catalizador, en modo alguno, puede modificar los valores de las magnitudes termodinámicas como ΔG0, ΔH0, ΔS0 y por lo tanto no puede alterar ningún equilibrio químico. Tampoco puede favore-cer o desarrollar reacciones termodinámicamente imposibles

La base del comportamiento de un catalizador es la disminución de la energía de activación, lo que beneficia por igual a cada una de las reaccio-nes de un equilibrio, tanto a las de sentido directo como a las inversas. Lo que se logra en estos casos es una mayor rapidez en alcanzar el estado de un equilibrio estable, sin modificarlo.

Como se acaba de afirmar, una característica muy importante de los ca-talizadores es su especificidad, por lo que a una temperatura y presión de-terminadas puede favorecer una reacción, intermedia o no, frente a otras posibles.

En general la catálisis supone un aumento de la velocidad de reac-ción, llamándose entonces catálisis positiva, mientras que si el efecto es el de retardar la reacción, esto es, disminuir la velocidad de reacción, en-tonces se denomina catálisis negativa y el catalizador recibe el nombre de inhibidor.

De modo parecido a los catalizadores actúan unas sustancias, co-reactivas, que se introducen en cantidades significativas y son consumidas a lo largo del proceso con el objeto de asegurar o afianzar el desarrollo de la reacción frente a otras alternativas no deseables.

Puede ocurrir que uno de los productos que se obtienen a su vez actúe de catalizador acelerando la reacción. Este caso se denomina autocatálisis.

En general se distinguen los siguientes tipos de catálisis:

Catálisis homogénea• , cuando los reactivos, los productos y los catali-zadores constituyen una sola fase. En este grupo se encuentra la ca-tálisis ácido-base, la basada en compuestos de coordinación o com-plejos, la de oxidoreducción mediante complejos de metales de transición y las homogéneas en medio gaseoso.


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Catálisis heterogénea• , cuando el catalizador es sólido y se encuentra en una fase distinta de la de los reactivos y productos, que pueden ser gaseosos o líquidos.

Catálisis enzimática• , cuando los catalizadores son un tipo de proteí-nas denominadas enzimas.

En la catálisis homogénea tiene lugar con una mezcla homogénea, ga-seosa o líquida, que contiene el catalizador. La reacción entre los reactivos y el catalizador se desarrolla en el espacio tridimensional del volumen ocu-pado por el sistema. El paso hasta los productos tiene lugar a escala mo-lecular mediante un conjunto de etapas en las que interviene el catalizador. La velocidad de reacción aumenta con la concentración del catalizador. La reacción global, lenta por tener una elevada energía de activación, es reem-plazada por varias reacciones rápidas, con pequeñas energías de activa-ción. El catalizador se consume en las primeras etapas y se regenera al ob-tenerse de nuevo en las últimas. En definitiva: el catalizador no modifica el resultado final pero sí el camino para alcanzarlo.

La catálisis heterogénea o catálisis de contacto se desarrolla con los reactivos y el catalizador constituyendo dos fases diferentes. La más im-portante es la que utiliza un catalizador en fase sólida en un medio reacti-vo gaseoso. La reacción tiene lugar en un espacio bidimensional sobre la superficie del catalizador, jugando un papel esencial la adsorción y desor-ción. El mecanismo de estas reacciones abarca cinco etapas:

Transferencia de los reactivos hacia la superficie.a)

Adsorción química de uno o varios reactivos.b)

Reacción en superficie en la fase adsorbida.c)

Desorción de los productos formados.d)

Alejamiento de los productos de la superficie.e)

8.2. TIPOS DE REACTORES

Para que la reacción se desarrolle con el mejor grado y velocidad con-forme a los objetivos perseguidos, los reactores químicos deben, funda-mentalmente, procurar el contacto más favorable entre los reactivos y, en


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su caso, el catalizador, mantener este contacto durante un tiempo suficien-te y óptimo, alcanzar y controlar las condiciones óptimas de temperatura, presión y composición, en función con la termodinámica y cinética de las reacciones intervinientes.

Para el establecimiento del contacto entre los componentes que lo de-ben tener, existen dos modelos básicos de flujo en reactores.

El modelo de mezcla perfecta (homogénea) consiste en la completa ho-mogeneización de la mezcla entre reactivos y productos, de tal manera que tanto la composición como la temperatura es la misma en cualquier pun-to, por lo que la materia que se extraiga tendrá las mismas características (composición y temperatura) que existen en el interior del reactor. Esto se consigue en los reactores de tanque agitado.

El extremo contrario a la mezcla perfecta es el modelo de flujo en pis-tón, donde no hay mezcla alguna, no produciéndose acumulación de mate-ria en ningún punto. Para esto se dispone de reactores tubulares en los que cualquier porción de flujo avanza por su interior como empujado por un pistón sin mezclas laterales ni axiales, de tal manera que otra porción pa-ralela próxima tiene unas condiciones diferentes.

A B

Figura 8.1. Tipos de reactores: a) De tipo pistón; b) Perfectamente agitado.


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En la realidad se utilizan reactores que se aproxima a uno u otro mode-lo, produciéndose difusiones inevitables de carácter lateral y axial en los reactores tubulares reales así como segregaciones y vías preferentes, tam-bién inevitables, en los reactores de tanque agitado reales.

Los reactores de tanque agitado suelen consistir básicamente en un re-cipiente que contiene la masa fluida reaccionante homogénea permanente-mente agitada. Frecuentemente son reacciones en fase líquida que pueden producir un producto sólido y reacciones en medio líquido con gases que borbotean a su través.

Los reactores tubulares suelen utilizarse con reacciones en fase gaseosa homogénea a temperaturas elevadas, en condiciones de flujo de pistón y con un tiempo que puede oscilar entre un segundo y una hora. Existe una importante transferencia de energía térmica. Se utilizan tubos de diámetro entre unos 80 y 150 mm, con longitudes entre 70 y 90 m. Para temperatu-ras inferiores a 500 ºC se utilizan reactores con pares de tubos concéntri-cos en los que un fluido transportador de calor (agua caliente, vapor, etc.) circula entre los dos tubos. Para temperaturas más altas los reactivos cir-culan por los tubos dispuestos en el seno de un horno en el que son calen-tados por quemadores de gas o de fuel.

Los reactores de dos fases fluidas, generalmente una líquida y otra ga-seosa, (a veces, dos fases líquidas inmiscibles), necesitan una rápida trans-ferencia de masa y utilizan columnas de borboteo, de platos y de relleno, aparatos de agitación mecánica y lavadores de gas.

Los reactores catalíticos son de diversos tipos en función del modo de calentamiento, de la naturaleza del catalizador, el modo de su recupera-ción o regeneración, y el tipo de funcionamiento (continuo, discontinuo, cíclico). La fase fluida debe entrar en contacto con el catalizador en fase sólida lo más estrechamente posible y con la mayor eficacia. Cabe distin-guir los reactores de lecho fijo, en los que el catalizador sólido, que puede estar constituido por partículas esféricas o cilíndricas entre 1 y 5 mm de tamaño, se dispone en tubos de varios metros de longitud, circulando a su través el fluido reaccionante.

Los reactores de lecho móvil están constituidos por un lecho de catali-zador en movimiento, normalmente de arriba abajo por la acción de la gravedad, mientras que la fase fluida circula en contracorriente, en parale-lo u horizontalmente.


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Alimentación de gas

Refrigerante

Figura 8.2. Reactor catalítico multitubular.

Los reactores de lecho fluidizado utilizan catalizadores sólidos muy fi-namente divididos que se fluidifican para obtener un mejor contacto con los reactivos.

8.3. BREVE APROXIMACIÓN AL CÁLCULO DE REACTORES

El diseño y dimensionamiento de un reactor industrial excede de los objetivos de un curso de estas características. Usualmente se suele hacer por extrapolación de un aparato piloto de laboratorio o de planta piloto cuyos parámetros físicos y químicos pueden ser traspasados a la escala in-dustrial.

Son muy diversos las variables y factores a tener en cuenta para calcu-lar un reactor. Desde el tamaño o escala de la operación en función de las


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cantidades a utilizar y a producir, la forma de operar (continua, disconti-nua, semicontinua), cantidades, caudales, volúmenes, energía, etc., hasta los aspectos de defensa del medio ambiente y de la seguridad y la salud de las personas que puedan estar expuestas a posibles riesgos derivados de la actividad.

Uno de los parámetros más importantes es el volumen útil de un reac-tor, que está en función del tiempo de la reacción que se define como el tiempo de permanencia en los reactores funcionando en continuo y por la duración de una operación en reactores en régimen discontinuo.

Otra característica muy importante es el intercambio energético que está ligado a toda reacción química (muchos procesos industriales trans-curren con elevados calores de reacción). Con relación a este fenómeno los reactores deben dotarse de superficies de intercambio térmico capaces de transferir tal calor de la manera más adecuada y conveniente. A este res-pecto se distinguen los casos particulares de los reactores isotermos y adia-báticos.

Otra cuestión esencial es el sistema de control y regulación a utilizar. Los diversos parámetros pueden ser controlados automáticamente, pu-diendo intervenir el operador para los ajustes convenientes con el objeto de que el producto que se obtiene esté incluido en los intervalos de la espe-cificación exigida conforme a los análisis periódicos de laboratorio. Tam-bién los controles referidos a las temperaturas, caudales, presión, etc.

Obviamente es primordial, conjuntamente con las políticas de calidad y productividad, la seguridad con relación a la defensa del medio ambiente y la prevención de los riesgos laborales y la salvaguarda de la salud y el pa-trimonio de las personas en general.

Son indispensables los sistemas de alarma para la alerta sobre even-tuales desviaciones operacionales de los procesos. En todo caso hay que evitar toda situación de riesgo no tolerable, con lo que hay que prever la falta de respuesta adecuada a las alertas mediante dispositivos automáti-cos que desencadenen acciones tales como el alivio de una presión exce-siva, la parada de una bomba, la puesta en marcha de un sistema de se-guridad, etc.

Los dispositivos más importantes de seguridad relacionados con los reactores son de dos clases:


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Los que mantienen la temperatura y la presión en un intervalo de va-• lores previsto para el tipo de proceso, para lo cual deben incluso limi-tar las reacciones parásitas y no deseadas y evitar los riesgos de fu-gas, incendio y explosión. Algunos de los dispositivos preventivos, cuando se produce una variación anormal de presión o de tempera-tura, son los que cortan la alimentación de una o varias materias pri-mas, detienen el sistema de calentamiento o enfriamiento, y accionan señales acústicas u ópticas advirtiendo del exceso o falta de un deter-minado producto en el reactor.

Los dispositivos de control del buen funcionamiento de las operacio-• nes de purificación y saneamiento tales como filtros, ciclones, con-densadores, ventiladores, etc., con el fin de evitar todo escape o verti-do de productos nocivos y garantizar su recuperación.

Tema 9

Ingeniería medioambiental aplicada a la Ingeniería Química

9.1. Concepto y extensión del medio ambiente

9.2. Contaminación atmosférica

9.2.1. La atmósfera9.2.2. Clasificación de los contaminantes9.2.3. Fuentes de contaminación9.2.4. Principales contaminantes y sus efectos9.2.5. Dispersión de contaminantes9.2.6. Control de la contaminación del aire

9.3. Contaminación del agua

9.3.1. Introducción9.3.2. Contaminación de las aguas naturales9.3.3. Tratamiento de las aguas

9.4. Residuos urbanos e industriales

9.5. Gestión medioambiental

9.6. Políticas y legislación medioambiental

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OBJETIVOS

Repasar y profundizar en el concepto y extensión del medio ambiente.•

Comprender el concepto de contaminación atmosférica y conocer los conta-• minantes más frecuentes, sus efectos y su control.

Comprender el concepto de contaminación del agua y conocer los contami-• nantes más frecuentes, sus efectos y consecuencias y su tratamiento.

Conocer los principios básicos de la gestión de residuos urbanos e industria-• les.

Introducción a la gestión medioambiental y conocer las políticas y legisla-• ción existentes en los ámbitos internacional, europeo, nacional y local.

9.1. CONCEPTO Y EXTENSIÓN DEL MEDIO AMBIENTE

El término medio ambiente puede suponer diversos conceptos, con va-riada amplitud, según quién y con qué objetivo los maneje. En general, se admite como medio ambiente todo un complejo conjunto de interrelacio-nes entre factores físicos, biofísicos, sociales y culturales en el que se de-senvuelve la actividad humana; es, por lo tanto, el ámbito o entorno en el que se desarrolla la vida de los seres humanos.

Los factores físicos corresponden a la materia no viva (inerte) del pla-neta. La materia viva (los seres vivos) constituyen los factores biofísicos. Los factores sociales se relacionan con las estructuras organizativas de las especies. Los factores culturales se refieren a lo que realizan los seres humanos.


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Se trata de un derecho de todos y al mismo tiempo un deber. Tenemos derecho (como dice la Constitución española) en la medida que sirva para el desarrollo de las personas, todas incluyendo las futuras generaciones. El medio ambiente es una realidad a proteger y a restaurar de la que todos te-nemos el derecho a disfrutar y el deber de conservar, correspondiendo a los poderes públicos su defensa y restauración, en función del desarrollo de la persona y de la protección y mejora de la calidad de vida. Obviamen-te, tiene un marcado sentido económico, que se concreta especialmente en la utilización racional de todos los recursos naturales.

En el ámbito de la Unión Europea se desarrollan competencias supra-nacionales en esta materia que incluyen acciones de promoción e informa-ción, investigación y medidas legislativas. En este sentido, la actuación de la Unión tiene por objeto:

Conservar, proteger y mejorar la calidad de vida.•

Contribuir a la protección de la salud de las personas.•

Garantizar una prudente y racional utilización de los recursos natu-• rales.

Hay que señalar que el medio ambiente es único aunque convenga consi-derar, según los objetivos parciales o el tipo de actuaciones concretas, am-bientes particulares o específicos, interrelacionados entre sí y con el todo en su conjunto, con lo que nunca hay que perder de vista su carácter global. Por otra parte, la especie humana no ha dejado de interaccionar, en todo su de-venir, sobre el medio ambiente y lo ha ido modificando, de una manera cre-ciente que ahora se ha acelerado enormemente y además en una magnitud tal que afecta a todos los rincones del planeta. Es por tanto su característica masiva y universal lo que se debe tener constantemente presente. También hay que tener el carácter irreversible de algunas consecuencias de la fuerte, y descontrolada, interacción de la comunidad humana. Todo esto ha reverti-do en una fuerte preocupación en todos los ámbitos de la sociedad y en la multiplicación de esfuerzos a todos los niveles, sobre todo en el final del si-glo XX y en los comienzos de éste, por conseguir de manera justa y equitativa una eficaz protección, a la vista de la escasez de todos los recursos en una dimensión de desarrollo universal y con la perspectiva de un futuro viable.

Cabe destacar entre diversas manifestaciones globales la celebración en 1992 de la Cumbre de la Tierra de Río de Janeiro, Conferencia convocada

INGENIERÍA MEDIOAMBIENTAL APLICADA A LA INGENIERÍA QUÍMICA

197

por Naciones Unidas sobre el Medio Ambiente y el Desarrollo, que contó con la participación de casi todas las naciones del planeta, representadas a los más altos niveles y que ha supuesto todo un hito que señala el comien-zo de una nueva época con la concienciación sobre estos problemas. Allí se tomó plena conciencia de las dimensiones del problema del deterioro medioambiental del planeta y se manifestó la voluntad de ponerle freno y favorecer su rehabilitación. Así se adoptaron toda un conjunto de compro-misos como el Convenio sobre el Cambio Climático, el Convenio sobre la Biodiversidad, la Declaración sobre los Bosques, el Acuerdo sobre la De-sertificación, la Agenda 21 y la Declaración de Río.

La Declaración de Río establece 27 Principios con el objetivo de deter-minar las obligaciones y responsabilidades junto con los derechos, tanto individuales como colectivos, en el ámbito conjunto del medio ambiente y el desarrollo. Los 27 Principios se relacionan a continuación:

1. Los seres humanos tienen derecho a una vida sana y productiva en armonía con la naturaleza.

2. Todos los Estados tienen el derecho soberano de explotar sus pro-pios recursos y la obligación de no atentar contra el medio ambien-te de países vecinos.

3. El derecho al desarrollo debe tener en cuenta el medio ambiente y las necesidades de las generaciones presentes y futuras.

4. La protección del medio ambiente debe ser parte integrante de los procesos de desarrollo y no puede ser considerada aisladamente.

5. Los Estados y los Pueblos deben cooperar con la pobreza, condi-ción indispensable del desarrollo sostenido.

6. Las medidas medioambientales y de desarrollo que adopten los países en vías de desarrollo deben tener en cuenta los intereses y las necesidades de todos los Estados.

7. Los países desarrollados deben reconocer su responsabilidad en la búsqueda internacional del desarrollo sostenido, debido a las pre-siones que sus sociedades ejercen en el medio ambiente.

8. Los Estados deben reducir y eliminar los modos de producción y de consumo nocivos para el medio ambiente y promover políti-cas demográficas.


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9. La cooperación científica y tecnológica debe facilitar la adopción, difusión y transferencia de nuevas tecnologías.

10. La información constituye la mejor forma de tratar los problemas ambientales.

11. Cada país debe promulgar medidas legislativas eficaces. Pero las normas internacionales no pueden imponer un coste económico social injustificado, sobre todo en los países en desarrollo.

12. Las medidas contra los problemas ecológicos transnacionales o mundiales deben acordarse con un consenso internacional.

13. Debe instaurarse un derecho internacional sobre la responsabili-dad y la indemnización de los daños causados al medio ambiente.

14. Se prohíbe exportar de un país a otro cualquier actividad o sustan-cia que degrade el medio ambiente o sea nociva para la salud.

15. La ausencia de una certeza científica no debe servir como pretexto para aplazar la adopción de medidas efectivas para prevenir la de-gradación del entorno.

16 y 17. Estabilizar la polución a nivel internacional. Deben realizarse estudios sobre el impacto ambiental antes deimplantar nuevas ac-tividades que puedan provocar efectos nocivos importantes.

18 y 19. Los Estados deben notificar rápidamente cualquier catástro-fe natural o situación de emergencia susceptible de dañar el medio ambiente y, en este caso, la solidaridad internacional debe entrar en juego.

20, 21 y 22. Las mujeres, los jóvenes, las comunidades autóctonas y otros colectivos locales juegan un importante papel en la protec-ción del medio ambiente y tienen una función vital en el desarrollo sostenido.

23. La protección del medio ambiente y los recursos naturales de los pueblos sometidos a opresión, dominación y ocupación, no sufri-rán menoscabo.

24. Los Estados protegerán el medio ambiente en tiempo de conflicto armado y participarán en la defensa medioambiental.


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25. La paz, el desarrollo y la protección del medio ambiente son inter-dependientes e indisociables.

26. Todas las diferencias medioambientales deben resolverse pacífica-mente de acuerdo con la Carta de Naciones Unidas.

27. Los Estados y los pueblos deben cooperar de buena fe y con un es-píritu de solidaridad en la aplicación de los principios consagrados en esta Declaración y al desarrollo del derecho internacional de conseguir un desarrollo sostenido.

Finalmente, se puede considerar el medio ambiente como el sistema constituido por:

El ser humano, la fauna y la flora.•

El suelo, el agua, el aire, el clima y el paisaje.•

Las interacciones entre estos factores anteriormente citados.•

Los bienes materiales y el patrimonio cultural.•

9.2. CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA

La contaminación del aire es una de las causas de los cambios climáti-cos y además contribuye a la producción de daños producidos por los dis-tintos contaminantes tanto a nivel local como global.

Una de las formas con las que la actividad humana contribuye a influir en las condiciones climáticas es el incremento de la presencia (concentra-ción) de dióxido de carbono en la atmósfera, procedente fundamentalmen-te de la combustión de diferentes materiales, que incide en una mayor ab-sorción de la radiación infrarroja que tiende a escapar de nuestro planeta y redunda, en consecuencia, en el crecimiento de la temperatura de la at-mósfera, que a su vez puede provocar la fusión de los casquetes polares y llegar a subir el nivel de los océanos y mares.

Otras consecuencias de la contaminación atmosférica pueden ser la llu-via ácida, el esmog fotoquímico y el deterioro de la capa de ozono que nos protege de la radiación ultravioleta que proviene del Sol.

A nivel local la utilización de combustibles fósiles pueden dar lugar a concentraciones altas en la atmósfera de dióxido y trióxido de azufre, res-


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ponsables de la lluvia ácida con daños a la flora y varios tipos de materia-les, el dióxido de carbono (efecto invernadero), el monóxido de carbono, altamente tóxico, los óxidos de nitrógeno procedentes de las emanaciones de los vehículos que utilizan combustibles derivados del petróleo y que son tóxicos y responsables del smog fotoquímico, el ozono producido durante el smog fotoquímico altamente reactivo y tóxico que daña vegetación y diversos materiales, hidrocarburos procedentes de la industria y de los vehículos, partículas procedentes de la combustión de los combustibles fó-siles y de la industria que provoca diversos problemas respiratorios. Por otra parte determinadas actividades industriales, como la industria de pro-ducción de aluminio emite a la atmósfera contaminantes específicos, en este caso el fluoruro de hidrógeno, muy tóxico.

También son muy dañinos para el medio ambiente los pesticidas y bio-cidas, particularmente muchos de ellos por su escasa biodegradabilidad y la consiguiente acumulación a largo plazo en los diversos medios. Espe-cialmente persistentes son el DDT, lindano, aldrín, etc.

Los metales pesados, denominados así más que por su densidad real por sus efectos medioambientales nefastos análogos a los metales pesados plomo y mercurio, como ocurre con el cadmio (metal más bien ligero), ar-sénico, berilio, níquel, selenio, antimonio, manganeso y vanadio.

9.2.1. La atmósfera

La atmósfera es la parte externa de nuestro planeta de composición ga-seosa que lo envuelve y defiende de diversas agresiones procedentes del es-pacio exterior. Los gases de la atmósfera ocupan una determinada zona del planeta en virtud de su contenido y de la atracción del campo gravitatorio propio. La atmósfera absorbe buena parte de la radiación cósmica y de la radiación ultravioleta. Al mismo tiempo desempeña una función esencial en el equilibrio térmico del planeta y es el principal protagonista en el ci-clo hidrológico.

La composición de la atmósfera varía localmente tanto con la latitud como con la altitud, así como con la estación del año, la actividad solar y otros factores. Los componentes mayoritarios son el nitrógeno (un 78% en volumen) y el oxígeno (21%), junto con otros tres principales componentes minoritarios: argón, dióxido de carbono y vapor de agua, más otros ya en


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concentraciones muy bajas o en trazas como, por ejemplo, los óxidos de nitrógeno, helio, neón, metano, hidrógeno, ozono, dióxido de azufre, amo-níaco, etc.

La atmósfera de la tierra comprende esencialmente cinco regiones: tro-posfera, estratosfera, mesosfera, termosfera (ionosfera), y exosfera. Las tres primeras regiones mantienen una composición prácticamente cons-tante con el tiempo mientras que las otras dos, más externas, sufren gran-des variaciones.

En la troposfera, región en directo contacto con la superficie del plane-ta hasta unos 12 km de altitud, la composición del aire seco es muy homo-génea gracias a la constante circulación de masas de aire. No obstante, el contenido en vapor de agua varía por la formación de nubes, precipitacio-nes y procesos de evaporación de las grandes masas de agua superficial. La temperatura en esta región disminuye desde la misma superficie terrestre hasta el límite con la estratosfera denominado tropopausa.

En la estratosfera se encuentra como especie química caracterizadora el ozono debido a la reacción fotoquímica del oxígeno que disocia su mo-lécula en los dos átomos integrantes que a su vez reaccionan con molécu-las de oxígeno no disociadas para dar lugar a moléculas de ozono. En esta región la temperatura, al contrario de lo que ocurre en la troposfera, crece con la altura debido a la absorción de la radiación ultravioleta por el ozo-no. Esta zona llega un poco más allá de los 50 km de altitud.

En la mesosfera, que se extiende hasta los 90 km de altura, la tempera-tura decrece con la altitud. En esta región se absorben radiaciones de alta energía con generación de iones diversos y oxígeno atómico cuya concen-tración supera a la del oxígeno molecular.

En la termosfera la temperatura aumenta con la altitud hasta valores del orden de 1200 ºC a consecuencia de la absorción de radiaciones. El aire ya se encuentra muy enrarecido en esta región.

La exosfera es el límite exterior de la atmósfera y en ella tiene lugar un cierto intercambio de partículas que escapan a la acción gravitatoria del planeta y otras que son atrapadas.

La presión atmosférica varía de modo prácticamente uniforme desde el nivel del mar, 101,33 kPa hasta valores menores de 10–5 kPa en los límites de la termosfera.


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9.2.2. Clasificación de los contaminantes

En primer lugar los agentes contaminantes se clasifican en tres grandes grupos: físicos, químicos y biológicos.

Los agentes físicos son manifestaciones agresivas de la energía distin-guiéndose radiaciones corpusculares y electromagnéticas, ruido, vibracio-nes, variaciones térmicas, etc.

Los agentes químicos son sustancias que pueden producir alteraciones en el equilibrio ecológico y en la salud de las personas. Son el objetivo esencial del estudio de la contaminación atmosférica.

Los agentes biológicos son agentes vivos como las bacterias, virus, hon-gos, insectos, etc. Que pueden llegar incluso a provocar enfermedades gra-ves como el ántrax o carbunco, la brucelosis, la tuberculosis, etc.

Los agentes químicos se clasifican a su vez según el estado de agrega-ción en que se encuentran, principalmente en la atmósfera como aerosoles o como sistemas gas-aire. Estos últimos son una fase homogénea donde se encuentran disueltos diversos contaminantes como los óxidos de azufre, los óxidos de nitrógeno o el monóxido de carbono.

Los aerosoles son dispersiones de partículas sólidas o líquidas en el seno de un medio gaseoso. Se clasifican en las siguientes categorías:

Sistemas sólido/aire: 1.

Polvo (• dust) Suspensión en aire de partículas de pequeño tamaño, entre 10–3 μm y 102 μm, de forma muy variada e irregular, proce-dentes de disgregaciones, trituraciones y pulverizaciones.

Fibras. Suspensión de partículas alargadas procedentes de disgre-• gaciones y cuya longitud es más de cinco veces su anchura.

Hollín (• soot). Suspensión de partículas con alto contenido en car-bono, de pequeño tamaño y forma redondeada, procedentes de combustiones incompletas.

Humos metálicos (• fume). Suspensión de partículas de tamaño me-nor que 1 μm, procedentes de condensación de vapores produci-dos en procesos industriales o de combustión.


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Humos (• smoke). Suspensión de productos residuales procedentes de la combustión (cenizas).

Sistemas líquido/aire:2.

Nieblas (• mist). Suspensión de pequeñas gotas de agua producidas por condensación del vapor sobre partículas higroscópicas suspen-didas que actúan de núcleos de condensación.

Brumas (• fog). Suspensión de pequeñas gotas líquidas producidas por condensación de vapores o por dispersión de agua u otros lí-quidos, que resultan visibles a simple vista.

Calina húmeda (• damp haze) constituida por pequeñas gotas de agua o partículas muy higroscópicas en el aire, que reducen la vi-sibilidad horizontal.

Smog, término resultante de la contracción de los vovablos en in-• glés smoke y fog, que se utiliza para una combinación de bruma natural y humos. En los casos que se intensifica por la acción foto-química de la radiación solar se denomina smog fotoquímico.

Los contaminantes químicos también se pueden clasificar en contami-nantes mayoritarios, por su gran importancia cuantitativa de presencia en el aire contaminado, como pueden ser los óxidos de azufre, los óxidos de nitrógeno, los hidrocarburos y las partículas en suspensión.

Los contaminantes minoritarios más frecuentes son los metales, cloro, sulfuro de hidrógeno, ozono, ciertos compuestos orgánicos, etc.

9.2.3. Fuentes de contaminación

La emisión consiste en el lanzamiento de materiales a la atmósfera tan-to por un foco como por un conjunto de focos, ya sean localizados o difu-sos, constituyendo lo que se denomina emisión primaria, siendo la emi-sión secundaria la resultante de las transformaciones químicas de la primaria.

La inmisión se refiere a la concentración de contaminantes a nivel del suelo procedentes de diversas fuentes.

Las fuentes son muy diversas, desde el transporte a los procesos indus-triales, pasando por la combustión y los residuos sólidos.


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La emisión de monóxido de carbono se debe principalmente a los vehícu-los accionados por motor de explosión que utilizan gasolina como com-bustible. Los motores Diesel emiten menores cantidades de CO pero sin embargo emiten más cantidades de óxidos de azufre y de humos.

Los generadores de calor emiten óxidos de azufre debido a los combus-tibles empleados, gasóleos y fuelóleos.

La evaporación y la combustión incompleta de los diversos combusti-bles son responsables de la emisión de hidrocarburos.

Asimismo los diversos procesos de combustión dan lugar a la genera-ción de óxidos de nitrógeno por combinación del nitrógeno y el oxígeno del aire a alta temperatura.

9.2.4. Principales contaminantes y sus efectos

Monóxido de carbono

La circulación rodada en las grandes ciudades resulta ser la principal fuen-te de CO, producido por los vehículos accionados por motores de explosión.

El CO también proviene de la oxidación del metano procedente a su vez de la descomposición anaerobia de la materia orgánica de los restos de los seres vivos.

Otra fuente son los grandes incendios, especialmente de zonas forestales.

El CO se oxida a dióxido de carbono en las altas capas de la atmósfera por la acción de radicales hidroxilo, oxígeno atómico, ozono, etc.

El principal efecto del CO sobre la especie humana y otras especies es interferir el transporte de oxígeno en la sangre por reaccionar con la oxihe-moglobina formando carboxihemoglobina, que no es apta para dicho transporte de oxígeno.

La intoxicación aguda por CO produce en una primera fase una reduc-ción progresiva de la consciencia, pasando a diversos trastornos del siste-ma nervioso central, disfunciones cardíacas y pulmonares y finalmente paro respiratorio y la muerte. En muchos casos de tráfico intenso urbano se pueden encontrar niveles de inmisión de 100 p.p.m. o más que dan lu-gar a somnolencia, dolor de cabeza, fatiga y mareos.


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Dióxido de azufre

La fuente más común de generación de dióxido de azufre es la combus-tión tanto de productos derivados del petróleo como del carbón. El sulfuro de hidrógeno procede de la descomposición de la materia orgánica y pos-teriormente se oxida a dióxido de azufre.

El dióxido de azufre se oxida a trióxido de azufre por la acción del oxí-geno, que una vez formado se disuelve en el agua en suspensión transfor-mándose en ácido sulfúrico produciendo la lluvia ácida. También puede formar sulfatos al reaccionar con el amoníaco o con sales metálicas.

La presencia del dióxido de azufre en el aire que se respira afecta a la especie humana y a otras animales. Una concentración de unos 10 p.p.m. produce irritación de nariz y garganta. Ya concentraciones más altas dan lugar a edemas pulmonares y puede llegar incluso a producir la muerte.

El dióxido de azufre también produce lesiones en el mundo vegetal, causando en varias especies unos colores característicos de tonos amari-llos y rojizos.

Los aerosoles de ácido sulfúrico que constituye la lluvia ácida atacan rápidamente los materiales de construcción y otros, particularmente los metálicos, y conducen a la acidificación de los suelos.

Óxidos de nitrógeno

Principalmente son tres los óxidos de nitrógeno contaminates más fre-cuentes: el óxido nitroso, el óxido nítrico y el dióxido de nitrógeno.

El óxido nitroso, N2O, se origina naturalmente en diversos procesos mi-crobiológicos. Es un gas anestésico conocido como gas hilarante, que pue-de producir altos estados de excitación nerviosa. A más de 500 ºC se des-compone en nitrógeno y oxígeno, por lo que no suele proceder de fuentes de combustión.

El óxido nítrico, NO, y el dióxido de nitrógeno, NO2, son muy impor-tantes en términos de contaminación atmosférica y se les agrupa bajo la denominación de NOx, siendo ambos originados mayoritariamente por la combustión de combustibles fósiles tanto de vehículos como de instalacio-


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nes fijas. A altas temperaturas el nitrógeno y el oxígeno reaccionan for-mando óxido nítrico que posteriormente se oxida a dióxido de nitrógeno.

El dióxido de nitrógeno desaparece de la atmósfera al formar ácido ní-trico (contribuye a la lluvia ácida) y nitratos y en el smog fotoquímico se transforma en nitrógeno orgánico.

El NO actúa de modo análogo al CO reduciendo el transporte de oxíge-no en la sangre. El dióxido de nitrógeno es más tóxico, causando inflama-ción en los pulmones en concentraciones entre 50 y 100 ppm. Si se supe-ran los 150 ppm puede producir lesiones irreversibles que pueden conducir a la muerte en el plazo de muy pocas semanas.

Los NOx son responsables de la destrucción de la capa de ozono, lo que al perder poder de absorción de la radiación ultravioleta de origen solar da lugar a una mayor frecuencia de cánceres de piel. Este efecto es particular-mente importante en la circulación de aeronaves que emiten estos gases a una altura de alrededor 10000 m.

Partículas en suspensión

También denominadas aerosoles, pueden ser tanto sistemas sólido/aire como líquido/aire. Pueden poseer carga eléctrica y un tamaño coloidal por lo que reciben en ese caso el nombre de micelas(tamaño < 0,1 μm). Son suspensiones las de tamaño inferior a 10 μm. Son inhalables (que suelen retenerse en la región naso-faríngea) las de tamaño comprendido entre 5 y 10 μm y respirables las de tamaño menor de 5 μm (pueden alcanzar los al-véolos pulmonares).

Las fuentes de partículas son muy diversas como también su tipo y naturaleza. Pueden ser originadas por erupciones volcánicas, vientos, in-cendios, diversos procesos industriales (cementeras, construcción, mo-lienda, etc.)

Las partículas en suspensión pueden producir irritaciones en los ojos, nariz y garganta, reacciones alérgicas, hasta alteraciones graves, depen-diendo de su estado y composición química.

También las partículas pueden producir la reducción de la visibilidad y pueden catalizar determinadas reacciones químicas.


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Producen conjuntamente con los óxidos de azufre el smog sulfuroso que ha llegado a producir episodios agudos graves por elevada contaminación.

Hidrocarburos

La mayor parte de los hidrocarburos en la atmósfera tienen su origen en las emisiones naturales de grandes masas forestales. También son pro-ducidos por la descomposición anaerobia de restos orgánicos.

Los de origen antropogénico son debidos a la emisión de vehículos y maquinaria con motores de combustión.

Los hidrocarburos contribuyen a la formación del smog fotoquímico. Este se produce por la presencia conjunta de hidrocarburos y óxidos de ni-trógeno en condiciones atmosféricas anticiclónicas estacionarias, con fuer-te radiación solar, inversión térmica y baja altura, humedad relativa eleva-da y calma atmosférica en las primeras horas del día. La oxidación de los hidrocarburos origina diversos compuestos como aldehídos, cetonas, áci-dos orgánicos, peróxidos, etc. La condensación de aldehídos y cetonas da lugar a aerosoles de olor peculiar que además limitan la visibilidad. A ve-ces se forman compuestos lacrimógenos e irritantes.

9.2.5. Dispersión de contaminantes

Los problemas que produce la contaminación atmosférica son debidos fundamentalmente a la concentración de los contaminantes en la atmósfe-ra, las condiciones meteorológicas desfavorables y determinadas caracte-rísticas topográficas del lugar.

El esquema de actuación de la contaminación consta de tres etapas: la generación del contaminante, su dispersión y la recepción de la contami-nación resultante.

El desplazamiento y transporte de la contaminación así como su mayor o menor concentración está fuertemente condicionado por el movimiento del aire en la atmósfera, tanto en sentido horizontal como en el vertical.

En concreto, el transporte y dispersión de los contaminates depende de algunos factores como:


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Naturaleza del contaminante: Gas, Partículas en suspensión, Partícu-• las sedimentables.

Ciclo del contaminante.•

Topografía: Urbana, rural. Montañas, valles. Mar, lago, ríos.•

Meteorología: Vientos, Estabilidad atmosférica.•

Climatología: Temperatura. Humedad. Radiación solar.•

Propios de la fuente de emisión: Temperatura de emisión. Velocidad • de salida. Altura de la emisión. Volumen. Caudal.

El estudio de la dispersión de contaminantes es muy importante para las actuaciones de prevención y control de la contaminación atmosférica. Se han desarrollados diversos modelos matemáticos, de una cierta comple-jidad, para el análisis y estudio de la dispersión de contaminantes.

9.2.6. Control de la contaminación del aire

Aunque ciertamente la atmósfera dispone de mecanismos naturales para su descontaminación, estos son limitados con lo que hay que procu-rar evitar excesivas emisiones a la atmósfera.

Entre los mecanismos naturales de descontaminación se encuentra la propia dispersión de los contaminantes que conduce a una disminución de las concentraciones por dilución. También actúa la atmósfera mediante la floculación, la sedimentación por gravedad, la absorción, la sedimentación por humedad y la adsorción.

Se puede conseguir la dilución de contaminantes con la utilización de chimeneas, que cuanto más altas más diluyen y alejan los contaminantes de su lugar de generación. No obstante tiene el inconveniente de trasladar la contaminación a otros lugares ajenos.

El control en origen puede ser muy eficaz. Caben diversas maneras, siendo la más eficaz y obvia la que impide la generación de la contamina-ción, lo que implica muchas veces sustituir procesos contaminantes por otros que no lo sean o lo sean en menor medida. También se consigue con la sustitución de un producto por otro que dé lugar a una menor contami-


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nación. Muchas veces un mantenimiento adecuado impide fuertes emisio-nes de contaminantes.

También se consigue eliminar o reducir la contaminación en el origen mediante equipos de control encargados de recoger, transformar o destruir los contaminantes. También se consigue mediante el diseño adecuado de la instalación contaminadora y de los diversos dispositivos de que consta.

En la emisión de gases si su temperatura es alta deben ser sometidos a un proceso de enfriamiento por dilución, intercambiador de calor o apaga-do con un líquido. Este último tiene la ventaja de arrastrar también las partículas pero da como resultado un líquido sucio y caliente que también puede resultar un problema de contaminación.

Finalmente los sistemas de control de la contaminación atmosférica proceden al tratamiento o control de gases, por un lado, y de partículas por otro.

En cualquier caso la eficiencia del sistema se mide mediante la relación:

π = 100 (Mr /Mp)

donde Mr representa la cantidad de contaminate recogida, por ejemplo en kg/s y Mp la cantidad de contaminante producida expresada en las mismas unidades.

En los controles de partículas se utilizan cámaras de sedimentación, colectores por inercia (incluidos los ciclones), purificadores húmedos, fil-tros y precipitadores electrostáticos.

En el control de la emisión de gases a la atmósfera se utilizan diversos métodos basados en la absorción, adsorción, condensación, oxidación, re-ducción e incineración catalítica. En cada caso el método a elegir viene de-terminado por las propiedades físicas y químicas de los productos a sepa-rar, de las condiciones en que se forman y emiten los contaminantes, así como de la concentración de los contaminantes, el volumen de gas, su tem-peratura y su contenido en partículas sólidas.

Como se habrá podido observar los diversos modos de control de la contaminación coinciden con operaciones básicas de ingeniería ya trata-das en anteriores capítulos.


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9.3. CONTAMINACIÓN DEL AGUA

9.3.1. Introducción

El agua constituye junto con el aire, la tierra y la energía los cuatro re-cursos naturales básicos en que se apoya el desarrollo.

El agua es uno de los componentes más abundantes de la naturaleza en nuestro planeta, llegando a cubrir las tres cuartas partes de su superficie. No obstante, la gran parte de esta agua, alrededor del 97%, no es aprove-chable para la mayor parte de necesidades u objetivos, ya que se trata de agua de los océanos y mares y otras masas salinas. Más del 2% restante está en forma de hielo y resulta prácticamente inaccesible para cualquier propósito de su aprovechamiento. La cantidad disponible de agua es poco más del 0,6% y se encuentra distribuida irregularmente en ríos, lagos y co-rrientes subterráneas.

El agua es el constituyente mayoritario de los seres vivos y forma parte de la mayoría de los alimentos.

El agua se necesita no solamente para beber y alimentarse sino tam-bién para un gran número de actividades humanas, de índole agrícola, in-dustrial y doméstica. Las mayores necesidades se encuentran fuera del ám-bito doméstico, en las actividades agrícolas e industriales.

Se denomina ciclo hidrológico (o ciclo del agua) el proceso que mantiene constante la cantidad de agua del planeta mediante el intercambio continuo entre la atmósfera y la superficie de la tierra, por medio de la precipitación y la evaporación a consecuencia fundamentalmente de la energía solar.

9.3.2. Contaminación de las aguas naturales

El agua procedente de la lluvia en el ciclo hidrológico tiene una compo-sición determinada por la incorporación de gases e iones en su caída. El agua de lluvia por lo tanto es escasamente mineralizada. Pero cuando lle-gada a la superficie de la tierra comienza a circular va disolviendo las sales solubles con las que entra en contacto, aunque después de tanta lluvia acaecida, la mineralización sigue siendo escasa. Solo se llega a un alto gra-do de mineralización por infiltración cuando el agua penetra a través del suelo dando lugar a las aguas subterráneas.


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La mineralización del agua se puede expresar por el grado de minerali-zación total (residuo seco, conductividad), por el grado de mineralización parcial (concentración de un determinado ion) y por el grado de minerali-zación cuantitativa (composición química, cantidad de los distintos iones que contiene, etc.)

Las aguas pueden contaminarse microbiológicamente por bacterias, vi-rus, hongos y otros agentes biológicos, particularmente por la actividad humana, sobre las aguas superficiales. Sin embargo las aguas subterráneas tienen poca contaminación microbiológica por eliminación en el proceso de filtración que sufren atravesando las diversas capas.

La contaminación de las aguas por la actividad humana proviene de los vertidos urbanos, industriales y agropecuarios.

Los contaminantes del agua pueden clasificarse de este modo:

Residuos con requerimiento de oxígeno contienen sustancias que se • oxidan en presencia de oxígeno, consumiéndolo, en función de una actividad bacteriana, lo que puede disminuir el oxígeno disuelto en el agua indispensable para la vida acuática.

Organismos patógenos (agentes microscópicos que producen cólera, • tifus, disentería, hepatitis infecciosa, amebiasis, esquistosomiasis, etc.) que pueden afectar a la salud de personas y animales.

Nutrientes, elementos químicos esenciales para el desarrollo de los • seres vivos (fósforo, nitrógeno, potasio, calcio, carbono, hierro, man-ganeso, etc.) que si se encuentran en concentraciones elevadas tienen el efecto de un crecimiento excesivo de plantas acuáticas, particular-mente algas, y por lo tanto se considera perjudicial. El enriqueci-miento en nutrientes, especialmente nitrógeno y fósforo, se llama eu-trofización. Se causa con mucha frecuencia con el vertido de nitratos procedentes de la agricultura y ganadería y de fosfatos procedentes de los detergentes que los contienen.

La salinidad excesiva. Según la cantidad de sales disueltas las aguas • se clasifican en naturales (hasta 1500 mg/L), aguas salobres (hasta 5000 mg/L) y aguas salinas (más de 5000 mg/L). El contenido en sa-les limita la posibilidad de utilización de las aguas no solo como po-tables (<500 mg/L) sino también para muchas aplicaciones industria-


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les, agrícolas, ganaderas y domésticas. Una excesiva salinidad puede hacer peligrar la vida acuática.

Los metales pesados pueden a partir de determinadas concentracio-• nes resultar tóxicos y amenazar la vida acuática y también indirecta-mente la vida de personas y animales al consumir no solo el agua sino también vegetales y animales que acumulen en sus tejidos estos elementos.

Compuestos orgánicos minoritarios o traza, causantes de toxicidad, • que suelen proceder de la industria de plásticos, disolventes, pintu-ras, detergentes, biocidas, etc. Particularmente preocupantes son los pesticidas o biocidas y los compuestos orgánicos volátiles (COVs) como el cloruro de vinilo (cancerígeno), tetracloroetileno, tricloroeti-leno, etc.

Petróleo, esencialmente por vertido en accidentes de los medios de • trasnporte, que pone en peligro la vida acuática al extenderse sobre la superficie del agua, con diversos efectos que también alcanzan a las orillas o tierra firme al adherirse como una gruesa capa viscosa.

Sustancias radiactivas relacionadas con los residuos de las operacio-• nes con sustancias radiactivas, que producen riesgos para la salud humana, de animales y de plantas.

Contaminación térmica a consecuencia de la utilización del agua • como refrigerante en muchos procesos industriales lo que puede lle-gar a tener efectos adversos para la vida acuática.

La contaminación por sedimentos, como barro, arena, minerales, etc. • Puede comprometer la calidad de las aguas e incluso la vida acuática.

9.3.3. Tratamiento de las aguas

Las aguas en la naturaleza disponen de mecanismos de purificación que aunque suficientes en la mayoría de los casos de contaminación natural, son limitados, por lo que debe cuidarse su calidad y evitar su contaminación.

El tratamiento de aguas puede efectuarse para tres categorías diferen-tes: para el uso doméstico, para la aplicación industrial y para su acondi-cionamiento previo al vertido de aguas residuales urbanas e industriales.


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Para el uso doméstico el agua debe estar desprovista de microorganis-mos aunque puede ser dura mientras que el agua para calderas debe ser esencialmente blanda, no importando que contenga microorganismos.

Los tratamientos de potabilización del agua, aunque diferentes según sea superficial o subterránea, deben someterse a los procesos siguientes: eliminación de partículas como arena, materia orgánica, algas, bacterias, etc. (por coagulación y floculación), eliminación de sustancias disueltas como las que dan lugar a su dureza o al color, y la eliminación o destruc-ción de gérmenes patógenos.

9.4. RESIDUOS URBANOS E INDUSTRIALES

La creciente actividad humana ha traído como consecuencia la genera-ción también creciente de desperdicios o residuos que han alcanzado una magnitud tal que suponen un serio problema medioambiental. Causas de esta situación son junto al crecimiento demográfico, la vida urbana, la in-dustrialización, el derroche y el consumo excesivo, la explotación incontro-lada de recursos, etc.

La primera solución a este problema es el consumo moderado y la limita-ción de la generación de los desechos. Otras soluciones son la reutilización, recuperación y reciclado, así como tratamientos convenientes conducentes a reducir tanto el volumen de los restos no utilizables como su toxicidad.

Los residuos sólidos son cualquier material sólido desechado tanto en la actividad industrial y agropecuaria como en la actividad urbana.

Los residuos sólidos urbanos son generados por la actividad propia de los núcleos de población, consistentes en todo tipo de materiales sólidos y semisólidos. La parte generada en las viviendas se denomina basuras. La gestión de los residuos sólidos urbanos (RSU) es el conjunto de operacio-nes que comprenden la recogida, el transporte, la descarga y su elimina-ción o tratamiento, con alguna fase intermedia, en algunos casos, en estacio-nes de transferencia donde son depositados temporalmente para luego ser transportados a su destino definitivo.

Los residuos tóxicos y peligrosos (RTP) son desechos que provienen de las actividades productivas que pueden suponer un peligro para las perso-nas, otros seres vivos o para el medio ambiente. Pueden serlo por su no de-


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gradabilidad, por su persistencia en la zona del vertido, por la posibilidad de efectos nocivos por acumulación, posibilidad de transformaciones bio-lógicas que incrementen sus efectos perjudiciales y el contenido elevado en componentes tóxicos.

La generación de los RTP y su gestión está muy regulada por la legisla-ción internacional, europea, nacional y de las comunidades autónomas y entidades locales. Su gestión constituye un conjunto de actividades dirigi-das a darles el destino final más adecuado de acuerdo con sus característi-cas y propiedades con el objeto de garantizar la salud pública, la defensa del medio ambiente y la preservación de los recursos naturales. Compren-de operaciones de recogida, almacenamiento, transporte, tratamiento, re-cuperación y eliminación.

Los residuos radiactivos son residuos particularmente peligrosos que deben ser gestionados de modo muy específico, dadas sus características. Están fuertemente sometidos a una legislación y control rigurosos.

9.5. GESTIÓN MEDIOAMBIENTAL

La gestión ambiental es uno de los mayores desafíos que tiene plantea-dos la humanidad en este siglo XXI, ya que depende de su correcta actua-ción la supervivencia de generaciones futuras.

Se trata de un problema complejo, con multitud de factores y de intere-ses que se entrecruzan, que hay que centrar en la armonización del previsi-ble crecimiento de la población humana con el desarrollo de todos los pue-blos con un aumento progresivo de la calidad de vida debiendo utilizar de un modo más racional los recursos disponibles de tal modo que haga posi-ble su desarrollo sostenido, proporcionado y duradero.

Una correcta política medioambiental persigue la conservación, defen-sa, protección y mejora del medio ambiente y para ello debe de realizarse tres tipos de actuaciones fundamentales: la evaluación del impacto am-biental, el control de la contaminación y la ética medioambiental.

La evaluación del impacto ambiental (EIA) es la actividad realizada para identificar y predecir los impactos sobre el medio biogeofísico, la sa-lud pública y el bienestar de las personas que cualquier proyecto o activi-dad pueda llegar a producir afectando a la calidad del medioambiente.


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El resultado de un estudio de evaluación del impacto ambiental llega al establecimiento de un dictamen de impacto ambiental por parte de las au-toridades competentes, a partir del cual se declara el rechazo o aceptación del proyecto así como sus posibles alternativas y modificaciones.

Los estudios de EIA son de carácter interdisciplinar, siendo su amplitud y detalle acordes con las características y magnitud del proyecto en cues-tión. En estos estudios se incluye un resumen, una descripción de las ac-tuaciones proyectadas y de sus posibles alternativas, identificación de im-pactos ambientales de todo tipo, criterios utilizados para la medición y estimación de los impactos, valoración del proyecto conducente a su acep-tación o rechazo, según el caso, la necesidad de medidas correctoras y de otras alternativas y un plan de seguimiento del proyecto durante su ejecu-ción, puesta en marcha y fase de operación.

9.6. POLÍTICAS Y LEGISLACIÓN MEDIOAMBIENTAL

Para defender y mejorar el medio ambiente hay que conocer los moti-vos por los cuales se contamina y poner los medios preventivos para evitar toda contaminación. No hay que olvidar que el que contamina solo deja de hacerlo porque se le informa y convence o porque se le impone por la vía de la disuasión de las penalizaciones y castigos que se le pueden aplicar.

Un papel indispensable lo juegan los poderes públicos en desarrollar una amplia legislación medioambiental, a nivel internacional, nacional y local, y unas autoridades públicas que controlan su debida aplicación.

Entre las acciones figura el establecimiento de estándares ambientales para ciertos contaminantes en determinados medios (aire y agua), que se establecen como referencia para salvaguardar la salud pública y el medio ambiente.

También se establecen subsidios que cubren parte de los costes deriva-dos de la reducción de la contaminación por parte de las industrias conta-minantes. Otra medida es el cobro de tasas con el fin de conseguir que se reduzcan las cantidades de contaminantes vertidas al medio ambiente por las industrias.

Otras acciones en fin son de carácter divulgador y de promoción de un ética medioambiental y cultura de su preservación en todos los niveles.

Tema 10

Seguridad e Higiene Industrial.Otras técnicas de prevención de riesgos laborales

10.1. Evolución de la seguridad y necesidad de la prevención de riesgos laborales

10.2. Conceptos básicos de la prevención de los riesgos laborales

10.2.1. El concepto de prevención10.2.2. Las condiciones de seguridad y de salud en el trabajo10.2.3. Conceptos de peligro, riesgo y daño10.2.4. Tipos de riesgos

10.2.4.1. Riesgos de accidente10.2.4.2. Riesgos laborales ambientales10.2.4.3. Riesgos osteomioarticulares y por carga física10.2.4.4. Riesgos psicosociales10.2.4.5. Riesgo grave e inminente

10.2.5. Principios generales de la prevención

10.3. Principales técnicas de prevención

10.3.1. Medicina del trabajo10.3.2. Seguridad en el trabajo10.3.3. Higiene industrial10.3.4. Psicosociología del trabajo10.3.5. Ergonomía10.3.6. Otras técnicas relacionadas con la prevención

10.4. La evaluación de los riesgos

10.5. La gestión de los riesgos laborales

10.5.1. Integración de la prevención10.5.2. Órganos especializados en materia preventiva laboral10.5.3. Los servicios de prevención

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10.6. Condiciones ambientales e higiene industrial

10.6.1. Partes de la higiene industrial10.6.2. Exposición a agentes químicos10.6.3. Exposición a agentes físicos10.6.4. Exposición a agentes biológicos10.6.5. Control de las exposiciones

10.7. Políticas y legislación sobre seguridad y salud en el trabajo

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OBJETIVOS

Conocer y comprender la necesidad de la prevención de los riesgos laborales • así como sus conceptos básicos.

Conocer las principales técnicas de prevención.•

Conocer y comprender el concepto y métodos de evaluación de los riesgos • laborales.

Comprender los principios y metodología de la gestión de los riesgos labora-• les.

Profundizar en el conocimiento y control de las condiciones ambientales • de los puestos de trabajo y los principios y aplicación de la higiene indus-trial.

Conocer las principales políticas y legislaciones sobre prevención de riesgos • laborales.

10.1. EVOLUCIÓN DE LA SEGURIDAD Y NECESIDAD DE LA PREVENCIÓN DE RIESGOS LABORALES

La protección de la seguridad y la salud de los trabajadores en el traba-jo, por medio, fundamentalmente, de la acción y actitud preventiva en los lugares de trabajo, refleja un estado cultural de fines del siglo XX. Es una consecuencia más del desarrollo de la humanidad y de su incesante evolu-ción a través de la historia. Evolución no solo de índole cultural, sino tam-bién técnica, científica, sociológica y económica.

Una evolución cuyos comienzos podemos rastrear hasta los albores de la propia humanidad, cuando atribuía los felices hallazgos y las desgracias


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a lo mágico, a lo inalcanzable, a lo divino. Los seres humanos estamos in-mersos en la Naturaleza viviendo a costa de ella, transformándola, interac-tuando con ella, dominándola mejor aunque también a costa de arruinar-la, de degradarla, de destruirla. Hasta el momento presente, caracterizado por la globalidad de las actividades humanas, la aldea global, no se ha teni-do bien en cuenta que nuestro planeta no es ya una fuente inagotable de bienes ni tiene una capacidad ilimitada de regeneración. Hasta ahora no se ha llegado a tener conciencia de que la especie humana tiene un papel acti-vo, una responsabilidad plena, sobre el estado del planeta (y del espacio exterior próximo) presente y futuro.

El concepto de trabajo ha variado mucho de unas épocas a otras. Ahora mismo, sufre una amplia transformación. Aún no están lejos los tiempos y modos de la esclavitud, como tampoco algunas consecuencias de la revolu-ción industrial, y estamos en plena época de la cibernética, la informática, las comunicaciones integradas y globales, en el seno de un sistema econó-mico mundial que tiende a un mercado único (global) que además está in-merso en una dinámica de cambio continuado tanto en lo tecnológico como en lo organizativo y en las formas de relación.

Sin embargo aún persiste en el entorno del mundo del trabajo, y no sólo en él, una cultura de la fatalidad, de lo inevitable e imprevisible, y por lo tanto de lo ajeno a nuestra voluntad y nuestro poder. Cuando se habla de que algo ocurre por accidente, equivale a decir por casualidad, porque se entiende que no es posible preverlo y evitarlo. Nada más lejos de lo que en realidad son los accidentes y enfermedades causados por unas incorrectas e inadecuadas condiciones de trabajo.

A lo largo de la historia, los seres humanos han ido aprendiendo a co-nocer, primero, los riesgos y sus características, tanto emanados directa-mente de la propia Naturaleza, incluido los animales, como de las conse-cuencias de la actividad humana que transforma a la misma Naturaleza, y a defenderse, después, de los mismos y de sus posibles consecuencias.

En muchas ocasiones, especialmente en lo que se refiere a la seguridad, como lucha contra los accidentes y sus consecuencias, las guerras han aportado avances al igual que en otros campos de la ciencia y de la técnica. Indudablemente se desarrollaban sistemas de defensa, de protección, con-tra las diversas técnicas ofensivas que sucesivamente aparecen. Así surgen los diversos sistemas de protección, tanto individual, por ejemplo el casco,

SEGURIDAD E HIGIENE INDUSTRIAL. OTRAS TÉCNICAS DE PREVENCIÓN DE RIESGOS LABORALES

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como colectiva, barreras, que en tiempos de paz se incorporan a la vida co-tidiana con fines igualmente de protección, pero con relación a otros ries-gos: los de accidente.

En cuanto a la pérdida o alteración de la salud, por causas no tan visi-bles o evidentes como las lesiones corporales o físicas, es decir, lo que se conoce en un sentido más o menos amplio como enfermedad, aun hoy la correlación causa-efecto no suele plantearse siquiera. Si bien, el estado ac-tual de la ciencia es tal, que aun cuando se sigue descubriendo nuevas pa-tologías, al menos en la inmensa mayoría de las conocidas se sabe de sus causas, su etiología. Aquí es aún más patente la consideración generalizada de la cultura de lo casual, de lo fatalista, de la adquisición de una enferme-dad, a pesar de los indudables avances en las técnicas preventivas y de pro-moción de la salud.

En el ámbito de la actividad laboral, ya en la antigüedad se conocía que en determinados trabajos existía una relación entre su naturaleza y la apa-rición de ciertas enfermedades características de los mismos. Ya Hipócra-tes, en el siglo IV a.C., describió la enfermedad que aquejaba a quienes tra-bajaban en la extracción de mineral de plomo. En el siglo XVI, Paracelso trató en varios de sus escritos las enfermedades que sufrían los mineros y los trabajadores de las fundiciones. Sin embargo hasta el siglo XVII, con el médico italiano Bernardino Ramazzini, no se comienza a tratar como una ciencia nueva la Medicina del Trabajo, aunque no es sino entre fines del si-glo XIX y el principio del siglo XX, con el desarrollo de las legislaciones de protección de los obreros, (la primera Ley en el mundo data de 1802) cuando aparecen las técnicas sistematizadas de protección —primero— y de prevención —después— como la seguridad del trabajo, la propia medi-cina (preventiva) del trabajo, la higiene industrial, la ergonomía y la psico-sociología aplicada al trabajo.

La interacción entre el trabajo, incluido el ambiente de trabajo, o lo que se conoce en el sentido más amplio como condiciones de trabajo (condicio-nes de seguridad y salud en el trabajo), y la persona, contemplada en su con-junto, con objeto de adecuar las primeras a la segunda, tiene sus raíces en el Renacimiento con los estudios de Leonardo da Vinci sobre las dimensio-nes del cuerpo humano y las posturas y los análisis de Durero sobre los movimientos y las proporciones. Ya en el siglo XX, los arquitectos (Le Cor-busier) y más tarde los ingenieros diseñadores, se han preocupado de que


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sus obras y trabajos se adapten a una óptima funcionalidad con relación a las características de sus usuarios y los fines que estos persiguen. Lo que ha conducido a la aparición, hacia los años 50, de la ergonomía como dis-ciplina global e integradora con relación a todos los aspectos del entorno de trabajo.

Actualmente en España, como en el resto de Europa y de los Estados más industrializados, tanto desde el punto de vista de la gestión y la cali-dad y competitividad como de la ética profesional, las buenas prácticas y de las exigencias legales, se considera imprescindible integrar los aspec-tos de la prevención de riesgos laborales, junto como otros tales como la protección del medio ambiente, la igualdad de trato y la accesibilidad al empleo, en la propia gestión de las actividades, cualesquiera que sean. Lo que implica que:

Una orientación hacia la • acción preventiva en la empresa, como elemen-to esencial para garantizar el empresario el nivel de protección eficaz en cuanto a la seguridad y la salud de los trabajadores a su servicio. Se persigue una cultura de la prevención a todos los niveles de la pobla-ción, especialmente de empresarios, profesionales y trabajadores.

La eficacia de la actividad preventiva viene dada por la observación • de los principios de prevención y por acciones concretas de informa-ción, formación, consulta y participación de los trabajadores, princi-palmente.

El principal protagonismo corresponde a la empresa con la participa-• ción de los trabajadores, que deben cooperar en la medida que sea necesario y de acuerdo con la formación e información recibidas. La Administración debe velar por la mejora progresiva de las condicio-nes de trabajo, prestando el apoyo y asesoramiento necesario, ade-más de ejercer la vigilancia y control del cumplimiento de la norma-tiva y, en su caso, la potestad sancionadora.

Hay que integrar la prevención en el proceso productivo y en la orga-• nización de la empresa, con el recurso a servicios de prevención, pro-pios y ajenos, de carácter interdisciplinar.

Las empresas, en el contexto de una economía global fuertemente com-petitiva, deben en el ámbito de la calidad total, integrar en la producción y en la organización, desde su propio diseño, las acciones relativas a la pre-


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vención de riesgos, los laborales y los no laborales, incluyendo la protec-ción del medio ambiente. Visiones más amplias (más allá de las actuales obligaciones) propugnan la integración de los aspectos de calidad y com-petitividad con los de prevención de riesgos laborales y el respeto al medio ambiente, integrándolos a su vez en actuaciones encaminadas a la durabi-lidad del trabajo y a la empleabilidad. Estos últimos conceptos necesitan un diseño y mantenimiento adecuados de puestos de trabajo, conjuntamente con la organización y métodos de trabajo y la formación continuada, con el objeto de que resulten lo suficientemente flexibles (= adaptables) para que cualquier persona pueda acceder a un empleo y mantenerlo de modo duradero en un entorno cada vez más cambiante, asumiendo las modifica-ciones que el progreso y las demás circunstancias demanden. Esto facilita-rá que, por ejemplo, personas con discapacidades de cualquier tipo (movi-lidad reducida, limitaciones de la visión, audición, habla, incluso mentales) puedan acceder a la mayor parte posible de puestos de trabajo, para des-pués mantenerse en ellos pese a la disminución de ciertas capacidades (por ejemplo, a causa del envejecimiento) y pese, también, a las necesarias mo-dificaciones de los propios puestos por nuevos requerimientos.

Finalmente habría que añadir que más allá de la obligada necesidad de evitar los daños derivados del trabajo está el concepto más avanzado que supone considerar el trabajo no como un castigo divino y por encima del derecho al mismo para la satisfacción de las necesidades de supervivencia en una sociedad como la actual. Más allá está la consideración del derecho a un trabajo enriquecedor para la persona y que no solo no suponga una amenaza para la integridad física y la salud, sino que además sea un ele-mento positivo para su mejora.

Para conseguir alcanzar estos objetivos es necesario que quienes más pue-den influir en los procesos productivos los asuman en el diseño de equipos, puestos, lugares, centros, métodos, organización, etc., lo que implica a su vez la integración de estos aspectos en todas las enseñanzas y disciplinas. En este sentido el ingeniero, en el buen y bien hacer de su actividad profesional, tiene un papel decisivo al prever las eventualidades posibles de todo proyecto cuando se llegue a ejecutar y al controlar luego el proceso productivo.

La siniestralidad y la morbilidad laboral, sin embargo, sigue siendo ele-vada tanto en España como en el resto de los Estados de la Unión Euro-pea. Hay que hacer las cosas bien y para ello es imprescindible un conoci-


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miento profundo de los posibles peligros, los factores que agravan los riesgos asociados a ellos y actuar con la mayor anticipación posible, con las mejores prácticas y soluciones.

10.2. CONCEPTOS BÁSICOS DE LA PREVENCIÓN DE RIESGOS LABORALES

10.2.1. El concepto de prevención

Desde el punto de vista técnico la prevención es el conjunto de actua-ciones y medidas, realizadas, adoptadas o previstas, en todas las fases de la actividad, dirigidas a evitar o minimizar los riesgos, en este caso, laborales o derivados del trabajo.

En el conjunto de todas las fases o etapas de la actividad productiva es especialmente importante las iniciales correspondientes a la toma de deci-siones, la fijación de estipulaciones en las contrataciones y adquisiciones, el proyecto y el diseño, tanto para lugares de trabajo, instalaciones, proce-sos, equipos, métodos y organización de la producción, por su decisiva efi-cacia tanto desde el punto de vista preventivo como de los objetivos econó-micos y de calidad y competitividad respecto de los servicios ofrecidos o de los productos a poner en el mercado. Obviamente, estas cuestiones afectan a los profesionales tanto de la dirección y gestión como a los que directa-mente intervienen en estas actividades, entre los que se encuentran los in-genieros, químicos, físicos y demás técnicos y especialistas.

Se pueden distinguir tres niveles de prevención:

Prevención primaria• , dirigida a evitar los riesgos o la aparición de los daños (materialización de los riesgos), mediante el control eficaz de los riesgos que no pueden evitarse. Esta prevención, obviamente es la más eficaz. Además, es la más eficiente. A su vez puede implicar distintos tipos de acciones, que se describen a continuación, por or-den decreciente de eficacia:

Prevención en el diseño — . Absolutamente lo más eficaz. A la hora de la concepción y diseño de instalaciones, equipos, herramientas, centros y puestos de trabajo, procesos, métodos, organización del trabajo, etc., hay que tener en cuenta los principios de prevención y, en primer término, tratar de evitar los riesgos.


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Prevención en el origen. — Se trata de evitar la aparición de riesgos como resultado de defectos en la fabricación, construcción, im-plantación e instalación, referido tanto a equipos, procesos, etc., como procedimientos, capacitación, etc., y, en los casos de riesgos inevitables, combatirlos en el origen o foco, mediante técnicas o medidas adecuadas, por ejemplo, mediante el aislamiento o en-claustramiento.

Prevención en el medio de transmisión. — Se trata de evitar la exposi-ción al riesgo interponiendo barreras entre el origen y las personas, actuando sobre el medio mismo absorbiendo o anulando el agente o situación de riesgo, e incluso, actuando sobre la misma organiza-ción del trabajo, por ejemplo, mediante el alejamiento o sistemas de alarma.

Prevención sobre la propia persona. — Mediante la utilización de me-dios de protección individual, la educación, la información, la for-mación, la vigilancia de la salud, la vacunación, la disminución del tiempo de exposición, etc.

Prevención secundaria• . Cuando ha comenzado el proceso de altera-ción de la salud aunque no se manifieste de una manera clara; en ge-neral puede tratarse de una fase inicial, subclínica, muchas veces re-versible. Las actuaciones preventivas en estos casos son la adecuada vigilancia de la salud para un diagnóstico precoz y un tratamiento eficaz, principalmente.

Prevención terciaria• . Hay que aplicarla cuando, existe una altera-ción patológica de la salud o durante la convalecencia de la enferme-dad o posteriormente a la misma. Se trata de prevenir la reincidencia o las recaídas, o las posibles «complicaciones» o secuelas, mediante el adecuado tratamiento y rehabilitación, como principales medidas.

10.2.2. Las condiciones de seguridad y de salud en el trabajo

El objeto de la prevención de los riesgos laborales en la empresa, lo constituye las condiciones de trabajo que hay que controlar para que no su-pongan una amenaza para la seguridad y la salud del trabajador y se alcan-ce una calidad de trabajo suficiente.


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Desde esta perspectiva, se entiende como condiciones de trabajo aque-llas características del trabajo que pueden influir significativamente en la generación de riesgos laborales. Se incluye entre ellas:

Condiciones de seguridad• :

Características generales de los locales (espacios, pasillos, suelos, —escaleras, etc.).

Instalaciones (eléctrica, de gases, de vapor, etc.). —

Equipos de trabajo (máquinas, herramientas, aparatos a presión, —de elevación, de manutención, etc.).

Almacenamiento y manipulación de cargas u otros objetos, de ma- —teriales y productos.

Existencia o utilización de materiales o productos inflamables. —

Existencia o utilización de productos químicos peligrosos. —

Condiciones ambientales (laborales)• :

Exposición a agentes físicos (ruido, vibraciones, radiaciones ioni- —zantes, radiaciones ópticas, radiofrecuencias, campos electromag-néticos...).

Exposición a agentes químicos. —

Exposición a agentes biológicos. —

Calor y frío, combinado con humedad y movimiento del aire. —

Climatización y ventilación general. Calidad del aire. —

Iluminación. —

Carga de trabajo• : física y mental. Adecuación del trabajo a la persona.

Organización y ordenación del trabajo: • Factores psicosociales ta-les como la monotonía, repetitividad, posibilidad de iniciativa, aisla-miento, participación, turnicidad, rotación, pausas y descansos, co-municación, relaciones de trabajo.

En la medida en que estas condiciones de trabajo puedan ser origen de daños para la salud, (accidentes y enfermedades), o influyan significativa-mente en la magnitud de los riesgos, se las suele denominar factores de riesgo.


227

10.2.3. Conceptos de peligro, riesgo y daño

La salud es un término que todo el mundo asocia al estado o condicio-nes en que se encuentra el organismo de uno mismo con relación a su ca-pacidad o el ejercicio de las funciones que le corresponden normalmente. Cuando se utiliza este término como ese estado o condiciones cuando per-miten el desarrollo pleno, normal, de las funciones o potencialidades del organismo, se habla de la salud plena, de la buena salud, y se piensa en la ausencia de enfermedades. Sin embargo, para entendernos hace falta una referencia o fijar qué se entiende por normalidad.

La Organización Mundial de la Salud (OMS) ha adoptado una defini-ción más amplia de salud yendo más allá del estado de ausencia de enfer-medad: La salud es el estado completo de bienestar físico, psíquico y social y no solo la ausencia de afecciones y enfermedades.

Los daños derivados del trabajo son enfermedades o alteraciones patoló-gicas o lesiones producidas con motivo u ocasión del trabajo. Es decir, en-fermedades o accidentes laborales, independientemente de que se conside-ren o no jurídicamente como enfermedades profesionales o accidentes de trabajo, a efectos de la Seguridad Social en España.

Se entiende por peligro la propiedad o capacidad intrínseca de algo, como por ejemplo, equipos, productos, situaciones, procesos, métodos, etc., para ocasionar daño. En este sentido constituyen un peligro los pro-ductos cancerígenos, máquinas con elementos móviles desprovistos de res-guardos, una llama, una atmósfera explosiva, un hueco sin cubrir, una pos-tura forzada, la carga y descarga de combustible, etc.

El riesgo laboral se define como la posibilidad de que un trabajador su-fra un determinado daño derivado del trabajo.

La calificación de un determinado riesgo laboral, según su gravedad G, se obtiene de la valoración conjunta de la probabilidad P de que se produz-ca el daño y la previsión de la severidad o magnitud D de éste.

G = P × D

Desde el punto de vista de lograr la mayor eficacia preventiva es esen-cial actuar sobre el primer factor, especialmente si se llega a anular, lo que equivaldría a evitar el riesgo, con lo que el éxito sería completo y no nece-


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sitaría de otras medidas. En los demás casos hay que actuar sobre ambos términos, sobre el primero P para reducir en todo lo posible la probabili-dad de que se materialice, con medidas esencialmente preventivas, y sobre el segundo D para disminuir la magnitud de los daños que puedan produ-cirse en el caso de que llegue a materializarse el riesgo, con medidas de protección colectiva e individual.

Los factores de riesgo vienen determinados por las condiciones de traba-jo y por las características individuales del trabajador en la medida que puedan influir en la generación o agravación de los riesgos laborales.

Las condiciones de trabajo (de seguridad y salud en el trabajo) ya han sido definidas anteriormente. Entre la gran diversidad de los factores in-dividuales se pueden destacar los relacionados con los conocimientos, las capacidades y aptitudes, las pautas de comportamiento y actitudes, la cul-tura preventiva, el estado de salud, las características físicas, biológicas, psíquicas, etc., que puedan influir en la magnitud de los riesgos laborales a los que pueda estar expuesta tanto la propia persona como a los demás a los que pueda afectar.

10.2.4. Tipos de riesgos laborales

10.2.4.1. Riesgos de accidente

Se puede distinguir varios tipos de riesgos laborales según el criterio que se escoja. En general, lo que tradicionalmente se ha tratado en el mun-do del trabajo es el riesgo de accidente, por ejemplo, de caída de altura, de atrapamiento, de explosión, etc., que puede ser desencadenado por la exis-tencia de uno o varios factores de riesgo. De la probabilidad de que se pro-duzca el accidente, en este caso, y los daños que pueden derivarse como consecuencia de que ocurra, se evalúa el riesgo, calificándolo desde el pun-to de vista de su gravedad.

Lo que caracteriza a estos riesgos es la inmediatez entre la materializa-ción y la generación del daño que suele ser una lesión de carácter traumáti-co (corte, fractura, estrangulamiento, etc.), una quemadura (por incendio, por contacto con superficie caliente, por ataque químico, etc.), un choque eléctrico (electrocución), asfixia (ahogamiento, enterramiento, carencia de oxígeno, etc.), intoxicación aguda (por monóxido de carbono u otros tóxi-


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cos, envenenamiento, etc.), por explosión, etc. Estos riesgos son objeto de la seguridad en el trabajo.

10.2.4.2. Riesgos laborales ambientales

Los riesgos laborales ambientales son riesgos de sufrir una alteración de la salud (enfermedad o patología), que pueden ser debidos a uno o va-rios factores de riesgo ambientales: agentes químicos, físicos o biológicos. En estos casos la probabilidad de que se produzca el daño viene represen-tada por la dosis del agente contaminante recibida por el organismo. Esta dosis puede medirse como energía recibida por unidad de tiempo, si se tra-ta de un agente físico, o como cantidad de sustancia que penetra en el or-ganismo por unidad de tiempo, si se trata de un agente químico.

En los casos de presencia o existencia de agentes físicos, hay que consi-derar el área, zona u órgano del cuerpo afectado o que pueda verse afecta-do por la exposición a según qué tipo de agente y tener en cuenta además determinadas características propias del mismo de agente. Así por ejem-plo, para una radiación ionizante es muy diferente si se expone el ojo o una parte de la piel, o todo el cuerpo, o si se trata de una sustancia emiso-ra que ha penetrado en el interior del organismo.

En la exposición a agentes químicos hay que considerar las vías de pe-netración en el organismo. Con ocasión del trabajo, la vía más común es la respiratoria, aunque existen muchos casos en los que el agente se absorbe además a través de la piel. Cualquier otra vía, oral, parenteral (a través de pinchazos, cortes, heridas abiertas, etc.), genital, resulta altamente impro-bable en el caso del trabajo salvo casos muy particulares. La severidad del daño que puede producirse por exposición a los agentes químicos ambien-tales se suele determinar mediante el porcentaje de casos que se presentan para una dosis determinada y se denomina respuesta. La relación entre am-bos parámetros se denomina relación dosis-respuesta y es de difícil obten-ción. En la práctica común para evaluar un riesgo ambiental se mide el ni-vel promediado en el tiempo de la presencia del contaminante en el puesto de trabajo (intensidad o concentración media, según se trate de un agente físico o químico) y se compara con los valores límite (intensidades o con-centraciones promediadas) de referencia. Para ciertos agentes físicos, como el ruido o las radiaciones ionizantes es relativamente sencillo medir la dosis recibida, por lo que los valores límite se suelen dar en términos de dosis.


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Con relación a los riesgos laborales debidos a agentes ambientales, con-viene distinguir dos clases de efectos: los inmediatos y los diferidos en el tiempo. Con la denominación efectos inmediatos, se quiere expresar que el daño se produce nada más se desencadena el suceso que lo causa, pudiendo evolucionar a partir de esta acción de una manera continuada tanto a un agravamiento como a una mejoría. Este es el caso, por ejemplo, de un acci-dente de caída de altura con resultado de lesiones. Pero también la exposi-ción a un ruido de impacto (un disparo) con resultado de perforación del tímpano, o la salpicadura de un líquido corrosivo sobre la piel con resulta-do de una quemadura química (destrucción de los tejidos). A esta posibili-dad se refieren los riesgos de accidente, mencionados en el epígrafe anterior, pudiendo intervenir también los agentes físicos y químicos mencionados en éste, cuando actúan produciendo efectos de carácter inmediato, como los de los ejemplos, efectos éstos denominados efectos agudos.

Sin embargo, los daños o efectos a los que se refieren los riesgos am-bientales son diferidos en el tiempo. Es decir, que la exposición continuada o repetida a unos determinados niveles o dosis de uno o más agentes am-bientales, supone la posibilidad de sufrir al cabo de un cierto tiempo una alteración de la salud. Así una pérdida de la capacidad auditiva por exposi-ción a altos niveles de ruido durante un prolongado espacio de tiempo o un cáncer por haber estado expuesto a un agente cancerígeno años atrás (mesotelioma y exposición por vía respiratoria a fibras de amianto hasta treinta años antes incluso). Estos efectos que pueden manifestarse tiempo después, meses y hasta muchos años, se denominan efectos crónicos y son característicos de los riesgos ambientales. Aunque no exclusivos de ellos, puesto que existen patologías debidas a otras causas como las malas pos-turas o los movimientos no adecuados y repetidos, (métodos y organiza-ción de la tarea inadecuado, mal diseño y adaptación defectuosa del pues-to de trabajo a la persona) que pueden dar lugar con el tiempo a patologías en músculos y huesos. También suele ocurrir con los riesgos psicosociales que pueden desencadenar estrés o depresión, por ejemplo.

Un caso diferente son los riesgos ambientales en los que están implica-dos agentes biológicos. En general, tanto estos últimos como los demás riesgos ambientales tienen en común la dificultad de advertir sus efectos y relacionarlos con sus causas, que incluso pueden haber desaparecido cuan-do se ponen de manifiesto los primeros signos que los delatan. Por la com-plejidad y gran diversidad de tales riesgos así como por las técnicas de


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identificación y evaluación, necesitan de una reglamentación técnica y me-todología específica, y de profesionales especializados para su tratamiento. Los riesgos laborales ambientales son objeto de la higiene industrial.

10.2.4.3. Riesgos osteomioarticulares y por carga física

Los riesgos relacionados con las posturas, esfuerzos y movimientos re-petitivos pueden dar lugar a un conjunto numeroso de patologías que afec-tan a los músculos, los huesos y las articulaciones, que pueden tener un re-sultado inmediato (una fractura, un esguince, hernia, etc.) o diferido (lumbalgias, tendinitis, etc.). También se incluye en este grupo la fatiga fí-sica por exceso de carga de trabajo o por condiciones poco adecuadas (ilu-minación incorrecta, temperatura y humedad extremas, mala organiza-ción, etc.). Todos estos riesgos son el resultado de una inadecuación del trabajo con respecto a la persona al utilizar métodos inconvenientes, una organización del trabajo y un diseño defectuosos con una mala adaptación a determinadas características de la persona implicada. Estos riesgos son objeto de la ergonomía. Estos riesgos también suelen ser denominados como músculo-esqueléticos.

10.2.4.4. Riesgos psicosociales

En cuanto a los factores de riesgo relacionados con la ordenación y or-ganización del trabajo, así como las relaciones interpersonales y la comuni-cación, se denominan psicosociales. La dificultad de su evaluación estriba en que las posibles alteraciones de la salud suelen ser inespecíficas y ade-más resulta también muy difícil discernir en qué medida se deben a facto-res de riesgo laborales y a factores extralaborales. Lo cual no quiere decir que carezcan de importancia o que no se deban tomar medidas preventi-vas. Es más, estos problemas que surgen de la organización del trabajo, pueden ser determinantes en la productividad y en la calidad final del pro-ducto o servicio que se ofrece, por lo que la adopción de medidas para su detección y de las soluciones idóneas debe ser tarea prioritaria en la gestión de la empresa. Actualmente cobran cada vez más importancia, por una ma-yor concienciación, el estrés (en cualquiera de sus formas) y el hostiga-miento o acoso moral. En el cuadro siguiente se facilitan algunos ejemplos de los distintos tipos.


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RIESGOS EN EL TRABAJO

Riesgos de accidente:

De caída de personas a distinto nivel.•

De caída de personas al mismo nivel.•

De caída de objetos por desprendimiento.•

De sepultamiento por desplome o derrumbamiento.•

De choque contra objetos.•

De cortes o contusiones por objetos o herramientas.•

De heridas por proyección de partículas o fragmentos.•

De atrapamiento por objetos o partes móviles.•

De atrapamiento por vuelco de vehículos o máquinas.•

De golpe de calor por temperaturas extremas.•

De quemaduras por contactos térmicos.•

De choque eléctrico por contactos directos o indirectos.•

De intoxicación aguda por exposición a sustancias nocivas o tóxicas.•

De heridas y quemaduras por contactos con sustancias corrosivas o cáusticas.•

De incendio.•

De explosión.•

De atropello o golpes por vehículo o maquinaria móvil.•

De golpes o heridas provocados por animales.•

Riesgos ambientales: De alteraciones de la salud por:

Exposición a agentes químicos.•

Exposición a agentes físicos (ruido, radiaciones...).•

Exposición a agentes biológicos (virus, bacterias...).•

Estrés térmico / frío (Condiciones climáticas extremas).•

Riesgos ostemioarticulares y por carga física: Debidos a:

Iluminación inadecuada.•

Posturas y movimientos inadecuados.•

Esfuerzos inadecuados.•

Riesgos psicosociales: De insatisfacción y estrés por:

Carga mental.•

Organización y ordenación del trabajo defectuosas.•


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10.2.4.5. Riesgo grave e inminente

Cualquier riesgo anterior puede en principio resultar especialmente preocupante si llega a la calificación de riesgo grave e inminente, cuando sea probable racionalmente que se materialice en un futuro inmediato y pueda su-poner un daño grave para la salud, tanto si se trata de daños inmediatos como de diferidos, lo que incluye a las situaciones en las que probablemente se produzca una exposición a un agente de la que puedan derivarse daños para la salud, aun cuando éstos no se manifiesten de forma inmediata.

Las características de estas situaciones son:

Existe una probabilidad • racional de que se materialice, es decir: es muy posible que el riesgo se desencadene (una caldera con sobrepre-sión, una techumbre en malas condiciones y que es muy posible que se derrumbe, un depósito con un agente tóxico sometido a una tem-peratura anormalmente elevada...)

La materialización se aprecia • inminente y por lo tanto difícilmente evitable en un corto espacio de tiempo (no responden los dispositivos de seguridad, por ejemplo válvulas, de una caldera donde su presión sigue elevándose más allá de la que puede soportar por lo que está a punto de estallar; aparecen indicios determinantes, por ejemplo grie-tas que se acrecientan, en una techumbre en mal estado, por lo que parece que se derrumbará de un momento a otro; se abre una fisura en un depósito con un agente tóxico que comienza a escaparse...)

Se pueden derivar • daños graves (en los ejemplos citados anteriormen-te: si se está situado en el campo de influencia de la explosión de la caldera, y cuanto más próximo a ella peor, puede originarse múltiples y graves lesiones que pueden llegar a ser irreversibles; análogas con-secuencias pueden tener lugar si se está debajo de la techumbre cuando se derrumba; dependiendo del grado de toxicidad así como de la cantidad de agente tóxico incorporada al organismo, que a su vez depende de la concentración en el ambiente y del tiempo exposi-ción, las consecuencias puedan ser muy graves al producirse una se-vera alteración de la salud —enfermedad— que puede manifestarse más adelante y llegar a ser incluso irreversible)

En relación con esta situación el empresario está obligado a adoptar las medidas adecuadas y suministrar las instrucciones precisas para actuar en


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caso de emergencia de manera rápida y eficaz con el fin de evitar las con-secuencias del peligro. Además el trabajador tiene pleno derecho a inte-rrumpir unilateralmente su actividad y, en caso necesario, abandonar el puesto de trabajo. Este es el derecho de resistencia del trabajador que le asiste oponiéndose a lo ordenado por el empresario en situaciones como ésta, de riesgo grave e inminente, o en otras tales como aquellas en las que se pudiera ir en contra de su dignidad personal.

10.2.5. Los principios generales de la prevención

El empresario, los directivos, los profesionales (pertenezcan a la empre-sa o sean ajenos a ella) y los propios trabajadores deben tener en cuenta los principios de prevención que se describen a continuación, según su cuota de responsabilidad y las funciones y tareas que desarrollen, especial-mente en la adopción de medidas de prevención, y más aún, a la hora de tomar cualquier decisión que pueda repercutir en la seguridad y salud de los trabajadores o bien si se es consultado previamente o al elaborar propues-tas al respecto.

En el cuadro se describen los principios generales de prevención de los riesgos laborales, en un cierto orden de prioridad, con la primera exigencia de evitarlos y en caso de no ser esto posible, combatirlos en el origen. Hay que planificar la prevención desde la misma concepción del proceso produc-tivo, el diseño de los puestos de trabajo, la elección de los equipos de trabajo y la organización y métodos de las tareas a desarrollar. El trabajo se adap-tará a la persona y se procurará sustituir lo peligroso por lo que no lo sea o lo sea en menor medida. La organización de la prevención se integrará en todos los niveles de actividad y de la estructura jerárquica de la Empresa. En todo caso se antepondrán soluciones de protección colectiva a las medi-das de protección individual. Se procurará progresar a mejores niveles de se-guridad y salud, teniendo en cuenta especialmente la evolución de la técnica.

Los principios de prevención deben ser asumidos por toda la empresa, por todos los que en el orden jerárquico la integran, desde la Dirección hasta cualquier trabajador, pasando por toda la cadena (organigrama) de diferen-tes mandos intermedios. Es más, la acción preventiva debe estar integrada en el proceso productivo y en la organización de la empresa. Todos, cada uno en la medida que les corresponde, deben jugar un papel en el sistema de prevención de la empresa. Todos deben participar en la prevención.


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PRINCIPIOS GENERALES DE PREVENCIÓN

Evitar los riesgos.•

Evaluar los inevitables.•

Combatirlos en el origen.•

Adaptar el trabajo a la persona.•

Tener en cuenta la evolución de la técnica.•

Sustituir lo peligroso.•

Planificar e integrar la prevención.•

Aplicar protección colectiva con prioridad a la individual.•

Dar debidas instrucciones a los trabajadores.•

10.3. PRINCIPALES TÉCNICAS DE PREVENCIÓN

Las actuaciones en materia de prevención de riesgos laborales están marcadas por su carácter interdisciplinario, y multidisciplinario, y su nece-saria integración en todas las fases del proceso productivo y en la organiza-ción de la empresa. En este sentido cualquiera que sea el nivel y especiali-dad de quienes despliegan una actividad en ella deben tener una formación suficiente y adecuada con el objeto de asumir satisfactoriamente y con ga-rantía la prevención en su ámbito de actuación y responsabilidad.

No obstante, actualmente se reconocen cinco disciplinas básicas en ma-teria de prevención de riesgos laborales. Una de ellas tiene un reconocimien-to de especialidad con plena validez académica en varios Estados miembros de la Unión Europea, entre ellos España. Se trata de la Medicina del Trabajo. Las otras no han alcanzado este estatus, pero se reconocen como tales disci-plinas básicas en el Reglamento de los Servicios de Prevención.

Previamente hay que tener en cuenta que se puede actuar para prevenir los riesgos laborales a cuatro niveles:

En la 1. concepción y el diseño. Aquí es necesario que los profesionales tengan asumida la filosofía preventiva junto con los conocimientos


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preventivos necesarios en su formación académica y de especializa-ción. Se trata de evitar el riesgo, o en todo caso minimizarlo.

2. Sobre el origen del riesgo, con objeto de eliminar el riesgo, o en su caso reducirlo todo lo posible.

3. Sobre el medio ambiente de trabajo o medio de transmisión del riesgo, con objeto de controlar el riesgo.

4. Sobre la propia persona, con objeto de protegerla mediante equipos de protección individual contra los riesgos existentes, de promover y vigilar su salud y de educarla y formarla adecuadamente. Cabría añadir las instrucciones e información dirigidas individualmente, así como actuaciones de carácter organizativo (cambio de tarea o méto-do, rotación de puestos, etc.).

10.3.1. Medicina del Trabajo

Si la Medicina se basa en el conocimiento de las funciones, y funciona-miento, del organismo humano y de su interacción con el medio en que vive y desarrolla su actividad, para alcanzar los objetivos descritos en el cuadro, la Medicina del Trabajo se especializa en la interacción con un me-dio particular: el del trabajo, sin dejar de considerar la misma salud como un todo, indivisible, y que el medio no laboral interactúa a su vez con el medio laboral (y viceversa).

OBJETIVOS DE LA MEDICINA

Promoción de la salud.•

Curación de las enfermedades.•

Rehabilitación.•

El trabajo influye sobre la salud, pero puede hacerlo tanto en sentido positivo como negativo. Lo óptimo consiste en favorecer el primer aspecto y rebajar sino anular el segundo.

En este empeño se ha de centrar las diferentes técnicas de promoción de la salud, y no sólo las sanitarias como la Medicina del Trabajo. Todas las


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técnicas preventivas, junto con ésta, la seguridad en el trabajo, la higiene industrial, la psicosociología laboral, además de controlar los riesgos, per-siguiendo su eliminación, o al menos, su minimización, fomentan directa o indirectamente el aspecto positivo de la influencia del trabajo. Objetivo que se hace quizás más patente con la ergonomía.

Las técnicas preventivas que utiliza la Medicina del Trabajo son funda-mentalmente las siguientes:

Epidemiología, • mediante la que se investiga sobre una población o grupo de personas la distribución y frecuencia de signos y, en gene-ral, alteraciones o anomalías en su estado de salud, con objeto de co-nocer sus posibles causas y los distintos factores que intervienen en su evolución, para que finalmente puedan prevenirse los riesgos co-rrespondientes.

Vigilancia de la salud, • con objeto de:

Conocer el estado de salud individual y colectivo en relación a los —riesgos a los que están expuestos.

Indagar la existencia de una posible especial susceptibilidad o sen- —sibilidad individual.

Verificar si existe algún — factor o condición individual y su alcance, tanto temporal o permanente, que pudiera representar un riesgo o agravamiento de los existentes para esa persona y para su entorno.

Detección precoz de alteraciones de la salud. —

Actuar en consecuencia y participar interdisciplinariamente en la —actividad preventiva.

Educación sanitaria• , como otro medio muy valioso para la promo-ción de la salud, con el fin de que conjuntamente (interdisciplinaria-mente) con otros profesionales, se alcancen cambios positivos a nivel individual y colectivo, modificando hábitos y conductas negativos y fomentando la participación en programas preventivos y, en general, de promoción de la salud.

Otros aspectos como el reforzamiento individual con objeto de hacer-• le más resistente a posibles alteraciones de la salud, mediante vacuna-ciones y realización de ejercicios físicos por ejemplo y actuaciones en caso de situaciones de urgencia.


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Además, es necesario mencionar aquí por su valioso papel a los Enfer-meros, Diplomados Universitarios en Enfermería y A.T.S. (ayudantes Téc-nicos Sanitarios) del trabajo o de empresa.

10.3.2. Seguridad en el Trabajo

La Seguridad en el Trabajo consiste en un conjunto de técnicas y proce-dimientos que tienen por objeto evitar y, en su caso, eliminar o minimizar los riesgos que pueden conducir a la materialización de accidentes con ocasión del trabajo, (lesiones, incluidos los efectos agudos producidos por agentes o productos potencialmente peligrosos).

Es necesario poseer conocimientos de diversa índole, como ingeniería, gestión empresarial, economía, derecho, estadística, psicosociología, peda-gogía, etc.

Se persiguen esencialmente dos tipos de objetivos:

Evaluación de los riesgos (incluida su identificación) e investigación • de accidentes.

Corrección y control de los riesgos (incluida su eliminación), en con-• secuencia.

Consecuentemente, las técnicas de seguridad se clasifican en analíticas y operativas.

Según el campo de actuación se cuenta con técnicas generales de seguri-dad, como la organización, economía, estadística, señalización, etc. y téc-nicas específicas, como seguridad química, seguridad eléctrica, prevención y lucha contra incendios, seguridad de las máquinas, etc. o por sectores de actividad, como seguridad en la construcción, seguridad minera, seguridad en la agricultura, seguridad en el transporte, etc.

10.3.3. Higiene Industrial

La aparición de alteraciones patológicas de la salud viene determinada por un conjunto de factores:

La 1. naturaleza y estado físico de los agentes químicos y el tipo y, en su caso, frecuencia, de los agentes físicos, así como la naturaleza de los agentes biológicos presentes bajo determinadas condiciones.


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La 2. concentración del agente químico presente en el ambiente o la intensidad referida al agente físico al que está expuesto el trabaja-dor. Para evaluar el riesgo de exposición se suelen utilizar valores-lí-mite de referencia.

El 3. tiempo de exposición al agente en el medio ambiente de trabajo. Los valores-límite se suelen referir a un tiempo normalizado, como la jornada de trabajo de 8 horas diarias o 40 horas semanales. La con-sideración conjunta de la concentración o intensidad, según el caso, y el tiempo de exposición da lugar al concepto de dosis.

Las características individuales de cada persona y en particular, de-4. terminadas susceptibilidades especiales ante algún agente que pu-diera existir. Los valores de referencia se establecen en relación a una población normal o normalizada, por lo que habrá que determi-nar si una persona se puede considerar incluida en ese colectivo o no para cada agente al que pudiera estar expuesta.

La existencia de otros agentes o factores que puedan potenciar o re-5. bajar los posibles efectos de la exposición. Por ejemplo, la tempe-ratura, la presencia de agentes cuyos efectos son aditivos, sinergias como las debidas al humo procedente de fumar tabaco, etc.

La Higiene Industrial, como técnica no médica de prevención de los riesgos laborales relativos a la posibilidad de sufrir alteraciones de la salud por una exposición a agentes físicos, químicos y biológicos, actúa con ca-rácter esencialmente preventivo por procedimientos técnicos mediante, en general, la siguiente secuencia:

1. Identificación de los diferentes agentes de riesgo.

2. Medición, en el caso que sea necesario, de la exposición al agente (concentración/intensidad y tiempo de exposición) y aportación de datos complementarios que se precisen.

3. Valoración del riesgo de exposición, comparando las dosis de ex-posición con los valores de referencia según los criterios establecidos.

4. Corrección de la situación, si ha lugar.

5. Controles periódicos de la eficacia de las medidas preventivas adoptadas y de la exposición y vigilancia periódica de la salud.


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10.3.4. Psicosociología del trabajo

Al hablar de los riesgos laborales se realizó la distinción de los deno-minados riesgos psicosociales. También se ha tratado de la importancia de los hábitos, costumbres y actitudes de las personas en relación con el trabajo, e incluso de una cultura de la prevención. La especialización en el campo laboral de la Psicología y de la Sociología se debe a la necesidad de actuar respecto a tales cuestiones desde la perspectiva de estas ciencias con el objeto de evaluar los riesgos y analizar determinadas situaciones de comportamiento social y de la psique, para a partir de estas aportacio-nes, actuar convenientemente en la mejora de las condiciones psicosocia-les del trabajo.

Temas esenciales de esta disciplina son por un lado, el denominado es-trés en cualquiera de sus variantes o manifestaciones y la insatisfacción, y por otro, las cuestiones relativas a la organización de la empresa, los facto-res de la tarea, la dirección y el mando y la conducta individual.

Si en la definición de salud se distinguen tres campos: el físico, el psí-quico o mental y el social, mientras las tres disciplinas anteriores se dedi-can en muy gran medida al primer aspecto, la Psicosociología del Trabajo interviene con más intensidad en los dos últimos aspectos, sin menoscabo de la propia Medicina del Trabajo con la que tiene estrecha relación para el desarrollo de actuaciones en estos ámbitos: psíquico y social.

10.3.5. Ergonomía

Si bien las anteriores cuatro disciplinas se dirigen a las condiciones de trabajo en función, principalmente, de sus aspectos negativos, la Er-gonomía, también denominada ciencia del bienestar y del confort, no solo persigue la mejora de las mismas a fin de eliminar o rebajar sus efectos negativos sobre los tres campos de la salud, físico, psíquico y social, sino que tiende a un concepto más amplio de la salud, y de condiciones de trabajo, para lo que además pretende la mejora de cualquier aspecto que incida en el equilibrio de la persona, considerada conjuntamente con su entorno.

Esta ciencia relativamente reciente ha sido definida de manera muy di-versa. El Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo la define


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como el conjunto de técnicas cuyo objetivo es la adecuación entre el trabajo y la persona. De inmediato surgen dos características: su multidisciplinarie-dad y su actuación global.

Los principales objetivos de la Ergonomía son:

Seleccionar las técnicas más adecuadas a las personas disponibles.•

Controlar el entorno o medio ambiente de trabajo.•

Evaluar los riesgos de fatiga física y mental.•

Definir los objetivos de formación en relación a las características de • puestos de trabajo y personas.

Optimizar la interrelación entre técnicas utilizadas y personas.•

Favorecer el interés de los trabajadores por la tarea y el proceso pro-• ductivo así como por el ambiente de trabajo.

Existen diversas orientaciones o enfoques de la Ergonomía. Entre ellas cabe distinguir:

La • Ergonomía del puesto de trabajo, con objeto de adaptar las dimen-siones, esfuerzos y movimientos, fundamentalmente, a las caracterís-ticas individuales de la persona que lo desempeña.

La • Ergonomía de los sistemas, que amplía el enfoque anterior al con-siderar además, tanto los aspectos físicos del entorno del puesto de trabajo (iluminación, microclima, ambiente acústico,...) como los or-ganizativos (ritmos de trabajo, pausas, horarios,...).

Un paso más, consiste en la consideración de la • Ergonomía de un modo totalizador, dirigida al desarrollo integral de la persona, tenien-do en cuenta a los trabajadores no solo como sujetos pasivos sino también activos, fomentando su participación en la mejora de las condiciones de trabajo, con mayor interés, creatividad,... y por lo tan-to mayor satisfacción personal. (Y con ello mayor productividad y mejor calidad en los resultados del proceso productivo).

Desde este último punto de vista, tan amplio y globalizador, puede con-siderarse integradas en la Ergonomía las cuatro grandes disciplinas de ca-rácter general contempladas con anterioridad: Medicina del Trabajo, Segu-ridad en el Trabajo, Higiene Industrial y Psicosociología del Trabajo.


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10.3.6. Otras técnicas relacionadas con la prevención

Después de todo lo expuesto en esta unidad o capítulo, se puede afir-mar sin margen a error o exageración, que cualquier ciencia o técnica pue-de tener cabida en la actividad preventiva a desarrollar en la empresa.

Una cuestión importante en cuanto a la propia relación de trabajo, las obligaciones de empresarios, directivos y trabajadores en general en mate-ria de prevención de riesgos, las responsabilidades consecuentes y la ga-rantía del derecho de los trabajadores a una protección eficaz de su seguri-dad y salud en todos los aspectos relacionados con el trabajo, corresponde al Derecho del Trabajo y, en particular, a una rama cada vez más extensa y con mayor relevancia: el Derecho de la Seguridad y salud en el Trabajo, ade-más de la cuestiones también de especial importancia del Derecho de Segu-ridad Social.

La Pedagogía, y especialmente las técnicas de formación de adultos, la Toxicología, la Fisiología, la Estadística, la Economía, la Ecología, las téc-nicas de Gestión empresarial, las técnicas de Recursos Humanos, las técni-cas de Comunicación, Arquitectura, Ingeniería, Física, Química, Biología... todas aportan conocimientos y herramientas que perfectamente pueden considerarse como técnicas preventivas específicas como se verificará a lo largo de este curso.

10.4. LA EVALUACIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES

Para conseguir satisfactoriamente los objetivos de un nivel de protec-ción eficaz de la seguridad y la salud de los trabajadores en el trabajo, hay que procurar mantener unas condiciones de trabajo sanas y seguras. Para tomar todas las medidas necesarias, las más adecuadas, con el fin de conse-guir este objetivo, se debe partir del conocimiento de la situación a través del análisis de las condiciones de trabajo y la consiguiente evaluación de riesgos.

Esta es la primera actividad preventiva que se debe realizar por la em-presa para, partiendo de sus resultados, planificar adecuadamente la acti-vidad preventiva, junto con el establecimiento de la organización preventi-va necesaria. Hay que advertir que la actividad preventiva incluye la información y la formación de los trabajadores y necesita su participación.


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La evaluación de riesgos es una herramienta indispensable en la activi-dad preventiva, mediante la cual se obtiene la información precisa para de-terminar las decisiones apropiadas en orden a adoptar las medidas necesa-rias de prevención y su planificación, estableciendo las prioridades que correspondan.

La evaluación de riesgos es en sí misma una actividad preventiva, la primera, puesto que se dirige a identificar los factores de riesgo y prever los posibles daños y su magnitud, para poder elegir los medios para eli-minarlos o minimizarlos. Por lo tanto, se trata de tomar las medidas ade-cuadas a tiempo, de actuar con anticipación —preventivamente— para no tener que lamentar que se produzcan daños y que su análisis, entonces a posteriori, nos delate los factores de riesgo que los han desencadenado y actuar, ya a destiempo, corrigiendo las incorrectas o defectuosas condi-ciones de trabajo.

La evaluación de riesgos consiste esencialmente en un análisis sistemá-tico de las condiciones de trabajo con objeto de identificar los factores de riesgo, en la valoración de los riesgos y en el estudio de la posibilidad de eli-minarlos y de otras medidas de prevención, en su caso. Debe contarse con la colaboración y participación de los trabajadores y de los distintos nive-les jerárquicos.

La evaluación de riesgos consta fundamentalmente de las siguientes etapas:

Identificación de los peligros y factores de riesgo.•

Identificación de los trabajadores expuestos a los riesgos.•

Valoración, cualitativa o cuantitativa, de los riesgos (• Evaluación) exis-tentes.

Análisis de las posibles medidas para eliminar o controlar el riesgo.•

Decisión sobre las medidas más adecuadas, implantación de las mis-• mas, su mantenimiento y control.

La evaluación debe referirse a los riesgos que pueda entrañar la activi-dad laboral y que puedan tener una cierta entidad, tanto por una cierta probabilidad de que se materialice como por la significación del daño espe-rado. En general, no hay por qué tener en cuenta los riesgos comunes de la


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vida ordinaria que no son motivo de preocupación, salvo que otros facto-res de las condiciones de trabajo los acrecienten.

La evaluación de riesgos debe afectar a todos los puestos de trabajo. Po-drán omitirse otros puestos equivalentes a uno ya evaluado, con el fin de evitar evaluaciones repetidas sin utilidad alguna. La evaluación de riesgos exige un conocimiento profundo de las condiciones de trabajo.

No existe un único procedimiento o método de evaluación de riesgos con carácter general. La bibliografía ofrece una amplia gama de métodos de todo tipo, unos más sencillos (dirigidos a la pequeña y mediana empre-sa), otros más complejos dedicados a ciertas actividades de mayor enver-gadura, sectoriales, para riesgos específicos, etc.

En los casos que exista un procedimiento determinado en un Regla-mento específico (por ejemplo, sobre ruido, fibras de amianto, plomo am-biental, etc.) se deberá aplicar exclusivamente dicho método.

Se pueden adoptar diferentes enfoques siempre que, en general, se lle-ven a cabo las siguientes actuaciones:

Estudio del entorno del puesto de trabajo (condiciones termohigro-• métricas, iluminación, instalaciones, equipos, suelo, accesos, rui-do, etc.).

Identificación y estudio de las diferentes tareas.•

Estudio de las pautas de trabajo y de la ejecución de las tareas, así • como de su adecuación a los métodos establecidos.

Análisis de factores externos que puedan influir en los riesgos (por • ejemplo: condiciones metereológicas en trabajos al aire libre).

Análisis de factores fisiológicos, psicológicos y sociales, que puedan • interaccionar.

Análisis del sistema de prevención implantado.•

Se adoptará un determinado enfoque en función de:

El tipo del puesto de trabajo (en un lugar estable, provisional, mó-• vil, etc.).

La clase de proceso (en cadena, repetitivo, nuevo, etc.).•


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Las características de la tarea (monótona, ocasional, de alto riesgo, • en espacios confinados, etc.).

La complejidad técnica.•

En ocasiones con un único procedimiento se podrá evaluar el conjunto de todos los riesgos. En otras, sin embargo, será más adecuado adoptar en-foques diferentes para distintos aspectos de la actividad.

A veces es útil realizar la evaluación de riesgos como una sucesión de diferentes etapas, en las que se avanza hacia un conocimiento más preciso o más profundo. De esta manera, se puede comenzar por una evaluación global que agrupe los riesgos en dos clases: aquellos conocidos que requie-ren medidas de control también conocidas, que pueden adoptarse de inme-diato y son fácilmente comprobables, y aquellos otros que necesitan de un análisis más detallado. En esta evaluación global, cuando sea posible, se determinarán los riesgos cuya eliminación es factible.

A menudo, la fuente de información más completa se obtiene mediante una entrevista con los trabajadores involucrados en la actividad que se pre-tende evaluar. Ellos pueden describir todos los detalles de las tareas y fun-ciones que desempeñan, hábitos y precauciones que toman, pueden opinar sobre los posibles problemas que presentan, señalar factores de riesgo y fa-llos del sistema de prevención, y proponer mejoras.

Las evaluaciones más detalladas se abordarán siguiendo las etapas se-ñaladas con ocasión de la descripción de las características básicas de la evaluación de riesgos. Estas etapas se tratan con mayor amplitud más adelante.

Como ya se ha dicho, más adelante se contemplará esta acción pre-ventiva esencial de la evaluación de riesgos con la extensión y detalle ne-cesarios.

No obstante, hay que advertir que la evaluación de riesgos debe reali-zarse con sujeción a los procedimientos y criterios contenidos en la regla-mentación, cuando exista: exposición al ruido, a fibras de amianto, etc.

En ausencia de reglamentación específica que sea de aplicación, se se-guirán normas (UNE), guías y documentos de apoyo publicados por orga-nismos competentes (Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Tra-bajo, organismos de las Comunidades Autónomas, etc.), códigos de buena


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práctica, recomendaciones de entidades reconocidas internacionalmente (Comisión Europea, CEN/CENELEC, ISO, OIT, OMS, OCDE, OSHA, etc.), métodos, instrucciones, guías y documentos análogos de entidades de prestigio, especializadas o comprometidas que ofrezcan un nivel de con-fianza que pueda equipararse a los anteriores (universidades, mutuas de accidentes de trabajo y enfermedades profesionales, asociaciones profesio-nales, sindicatos, organizaciones empresariales, asociaciones de fabrican-tes, etc.)

10.5. LA GESTIÓN DE LOS RIESGOS LABORALES

Para alcanzar los objetivos previamente establecidos, la protección efi-caz de la seguridad y la salud de los trabajadores en todos los aspectos re-lacionados con el trabajo, evitando los riesgos o, caso de no ser posible, eli-minarlos o controlarlos, la gestión de los riesgos laborales en una empresa requiere principalmente lo siguiente:

Un análisis del entorno.•

Una planificación adecuada.•

Organización.•

Control. •

Para ello debe realizar en concreto:

La evaluación de los riesgos de todos los puestos de trabajo.•

La planificación de la actividad preventiva.•

La organización de la prevención en la empresa.•

El control de las actuaciones preventivas.•

En todo caso hay que tener en cuenta lo siguiente:

La actividad preventiva debe ser una • actividad integrada en todo el conjunto de actuaciones y decisiones de la empresa, tanto en los pro-cesos técnicos como en la organización del trabajo y en toda el orden jerárquico de la empresa. En el ejercicio de las funciones y tareas en-comendadas a cada trabajador debe tenerse presente los aspectos re-lacionados con la prevención de riesgos laborales.


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Los trabajadores tienen derecho a participar activamente en la pre-• vención de riesgos laborales en su empresa como tienen también la obligación de cumplir con las normas de prevención de la empresa y de colaborar y cooperar con la empresa para alcanzar mejores nive-les de seguridad y salud en el trabajo.

Para conseguir tales objetivos se debe establecer un sistema de ges-tión de la prevención, que incluya la estructura organizativa, la defini-ción de funciones, las prácticas, los procedimientos y los recursos para lle-var a cabo la actuación preventiva en la empresa.

Cualquiera que sea el sistema implantado debe contar con los cuatro elementos básicos: evaluación de riesgos, planificación, organización y control, siendo el sistema en sí la forma y modo en que éstos se interrelacio-nan entre sí.

10.5.1. Integración de la prevención

La gestión de los riesgos laborales, al igual que la de los riesgos am-bientales, debe estar integrada en la propia gestión de la empresa. Se debe partir de una política de prevención de riesgos en la empresa, que es conve-niente que se exprese mediante una declaración de principios que incluyan los criterios que deben inspirar su actividad preventiva. Para lograr su máxima eficacia debe influir en todas las decisiones y actividades de la em-presa, y particularmente estar estrechamente unida a otras afines: medio ambiente exterior, seguridad patrimonial, seguridad industrial, etc.

Según la Ley de Prevención de Riesgos Laborales, el empresario deberá realizar la prevención mediante la adopción de cuantas medidas sean nece-sarias. El empresario planificará estas medidas de acuerdo con los resulta-dos de la evaluación inicial de los riesgos existentes, debiendo destinar para ello los medios humanos y materiales necesarios.

Conviene distinguir entre la actividad de la empresa en sí, que tiene asumidos los principios de prevención y, por extensión, la política preven-tiva de la empresa (por ejemplo, el departamento de contratas y compras, que deberá tener en cuenta lo que más conviene a los objetivos de la em-presa incluidos los de prevención, las unidades de producción que segui-rán unas instrucciones o normativa interna en materia de prevención, etc.)


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y la actividad preventiva especializada de la empresa, en cuanto a la evalua-ción de riesgos, el control de las medidas adoptadas, el asesoramiento en materia preventiva al resto de las unidades, etc.

Para este último objetivo, el empresario debe designar uno o más tra-bajadores para realizar tales actividades preventivas necesarias. Si por el tamaño de la empresa o por los riesgos existentes y su distribución en la misma, esto no fuera suficiente, deberá recurrir a uno o varios Servicios de Prevención, propios o ajenos, que en su conjunto adopten todas las me-didas necesarias para garantizar la seguridad y salud de los trabajadores.

El Reglamento de los Servicios de Prevención, parte del reconocimiento de la diversidad de situaciones, dado el ámbito de aplicación universal de la Ley de Prevención. Concede mayor importancia a la actividad preventiva que a los medios para realizarla, permitiendo que la acción preventiva pue-da estructurarse a través de diversas alternativas: uno o más trabajadores con funciones preventivas; constitución de un Servicio de Prevención pro-pio o mancomunado; y recurso a una entidad especializada externa a la em-presa, acreditada por la Autoridad Laboral de la Comunidad Autónoma como Servicio de Prevención ajeno.

Deben considerarse, ahora, las diferencias entre los dos medios más significativos para realizar la actividad preventiva. Éstos son: la designa-ción de uno o más trabajadores con medios, capacidad y tiempo suficiente para la ejecución de la actividad preventiva; y el recurso a un Servicio de Prevención. En el primer caso, la acción preventiva es efectuada por uno o más trabajadores, de acuerdo con las necesidades preventivas de la empre-sa, sin que ello suponga, necesariamente, una dedicación exclusiva, pu-diendo, incluso, ser compatible esta actividad con otras productivas pro-pias de la empresa.

Los Servicios de Prevención, son algo más complejo, ya que se constitu-yen por un conjunto de medios humanos y materiales necesarios para reali-zar las actividades preventivas, que debe tener un carácter interdisciplina-rio. Como tal está obligado a asesorar y asistir no sólo al empresario, sino también a los trabajadores, a sus representantes y a los órganos de repre-sentación especializados. Todas estas premisas y condicio nes exigen una estructura organizativa apropiada.

La situación en el organigrama de la empresa debe ser lo más próxima a la Dirección y como staff a ella.


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10.5.2. Órganos especializados en materia preventiva laboral

La Ley de Prevención de Riesgos Laborales establece las siguientes mo-dalidades de órganos especializados en materia preventiva:

De alcance general preventivo a decidir por el empresario previa con-• sulta a los trabajadores:

El propio empresario, si la empresa cuenta con menos de seis tra- —bajadores, si desarrolla de forma habitual su trabajo en la empresa y tiene la capacidad necesaria para ello.

Uno o más trabajadores designados para ejercer funciones pura- —mente preventivas, aunque puede que no con exclusividad.

Servicios ajenos a la empresa para realizar determinadas activida- —des preventivas (por ejemplo, evaluación de la exposición a ruido, vigilancia de la salud, etc.).

Servicio de prevención propio, con posibilidad o no de concertar de- —terminados servicios especializados fuera de la empresa, (y si se dan determinadas circunstancias establecer un servicio mancomunado).

Unidades especiales a designar por el propio empresario previa con-• sulta de los trabajadores:

Personal formado y con medios necesarios para realizar los prime- —ros auxilios en caso de accidente y contactar con servicios exter-nos de urgencia.

Personal encargado de la lucha contra incendios. —

Personal encargado de la evacuación y salvamento en situaciones —de emergencia.

Servicio de mantenimiento con planes de — mantenimiento preventi-vo y control de la eficacia de dispositivos de alarma y de actuación automática. Este caso no esta previsto por la legislación que nece-sariamente deba ser consultado a los trabajadores.

Delegados de Prevención, representantes de los trabajadores con fun-• ciones específicas en materia de prevención de riesgos laborales. Son elegidos por y entre los representantes del personal con arreglo a una escala determinada por la Ley de Prevención de Riesgos Laborales.


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El Comité de Seguridad y Salud en el Trabajo, órgano paritario y co-• legiado de participación destinado a la consulta regular y periódica de las actuaciones de la empresa en materia de prevención. Obligato-ria su constitución a partir de los 50 trabajadores, está integrada por los delegados de prevención y por igual número de representantes de la empresa.

10.5.3. Los Servicios de Prevención

Por organización se entiende el proceso mediante el cual se concretan y definen las necesarias actividades para alcanzar los objetivos previstos. La organización debe regirse por un conjunto de principios entre los que des-tacan, entre otros, los de división del trabajo y especialización, jerarquía, unidad de objetivo, eficacia, así como el de autoridad en el que se integra la función de control del cumplimiento de objetivos.

PRINCIPALES FUNCIONES DE LOS SERVICIOS DE PREVENCIÓN

a) Diseño, aplicación y coordinación de planes y programas de actua-ción preventiva.

b) Evaluación de los riesgos laborales existentes.

c) Determinación de prioridades en la adopción de medidas preventi-vas y vigilancia y control de su eficacia.

d) Información y formación de los trabajadores.

e) Primeros auxilios y planes de emergencia.

f) Vigilancia de la salud de los trabajadores en relación con los riesgos a los que están expuestos.

El Servicio de Prevención, sea propio o ajeno, tiene la misión de el ase-soramiento y apoyo a la empresa que ésta precise en función de los tipos de riesgo en ella existentes y en lo referente a las cuestiones específicas que se describen en el cuadro adjunto. Con tal que el objetivo principal, la protec-ción de la seguridad y la salud de los trabajadores frente a los riesgos en el trabajo, quede garantizado, el empresario, en principio, puede elegir los


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medios y la forma, siempre que sean suficientes y adecuados para tal fin, que no debe olvidarse es lo fundamental. El asesoramiento y asistencia también lo debe prestar a los trabajadores de la propia empresa.

La Ley establece la obligación de someter a una auditoría o evaluación externa el sistema de prevención de la empresa, cuando el empresario ga-rantice la protección de los trabajadores con recursos propios, sin perjui-cio de que para determinadas actuaciones, dado su especial carácter, pue-dan ser encargadas a servicios ajenos. En todo caso, la Inspección de Trabajo y Seguridad Social vigila el cumplimiento de la aplicación de la normativa, asesorando e informando a las empresas y a los trabajadores sobre la manera más efectiva del cumplimiento del deber de protección, requiriendo la adopción de medidas cuando se advierta que son insuficien-tes y comprobando en particular el cumplimiento de las obligaciones asu-midas por los Servicios de Prevención.

En cuanto al ejercicio de las funciones correspondientes a la vigilancia de la salud, se deberá constituir una unidad, de carácter esencialmente sa-nitaria, para salvaguardar el carácter íntimo y confidencial de sus actua-ciones, debiendo a su vez estar integrada en el correspondiente Servicio de Prevención.

La experiencia muestra que en muchos casos, particularmente pequeñas y medianas empresas y del sector servicios (pequeños comercios y oficinas, por ejemplo), ante la escasa entidad de los riesgos existentes, las medidas necesarias a adoptar no requieren de grandes medios y dedicación, y mu-cho menos, de una organización expresa de unos Servicios de Prevención internos o del recurso a servicios externos especializados. Frente a tales riesgos puede no ser siquiera necesarios reconocimientos médicos preventi-vos en el sentido que la citada Ley establece («El empresario garantizará a los trabajadores a su servicio la vigilancia periódica de su estado de salud en función de los riesgos inherentes al trabajo»).

Al margen de la modalidad de organización de la actividad preventiva especializada elegida por la empresa, hay que insistir que la prevención de los riesgos tanto laborales como ambientales deben estar asumidos por la propia gestión del sistema productivo, estando los aspectos preventivos in-tegrados en las funciones y tareas encomendadas. Integración tanto en el orden jerárquico, desde el máximo poder de decisión hasta el último em-pleado, como en todos los aspectos del proceso productivo. Los servicios


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de prevención, propios o ajenos, son órganos de asistencia y asesoramien-to que mediante el ejercicio de las funciones preventivas antes señaladas son una herramienta para la gestión empresarial para conocer en todo mo-mento tanto el nivel de prevención en cualquier actividad como los riesgos controlados, el estado de salud laboral de los trabajadores, la eficacia de las medidas adoptadas, las propuestas de mejora que se deben acometer y las previsiones en una planificación equilibrada.

Los aspectos de prevención, en particular de los riesgos laborales, de-ben estar incluidos en las actividades que se realicen y ser asumidos en el ejercicio de las funciones encomendadas, debiendo estar presentes en toda decisión. Lo que supone la responsabilidad de quienes tengan a su cargo el desarrollo de actividades con riesgos y trabajadores expuestos a riesgos, sin perjuicio de la responsabilidad que también corresponde a quien por jerar-quía está por encima y, por lo tanto, participa en la toma de decisiones y en la obligación de velar por el cumplimiento de las medidas preventivas que correspondan.

De ahí que nuevamente se insista en la necesaria preparación, y el per-feccionamiento y la puesta al día, de los profesionales, especialmente téc-nicos, que estén al frente de los procesos productivos o participen directa-mente en la gestión de la empresa, y por ende, en la toma de decisiones que pueda influir en la seguridad y salud de los trabajadores en relación con el trabajo.

El establecimiento de una prevención de riesgos integrada en la gestión de la empresa, supone en la realidad la asunción de una política empresarial en esta materia en relación con la misma actividad productiva, y por lo tan-to, conducirá al establecimiento de un plan de prevención, que incluya la es-tructura organizativa, la definición de funciones, las prácticas, los procedi-mientos, los procesos y los recursos necesarios para llevar a cabo las acciones preventivas. Esto requiere un profundo conocimiento de las condi-ciones de trabajo, de las características de cada uno de los puestos de traba-jo, con el fin de identificar los riesgos y evaluarlos para que, a la vista de los resultados, se determinen las medidas preventivas necesarias y se proceda a su planificación. Lo que viene una vez más a redundar en la necesaria pre-paración de los profesionales que diseñan por una parte y gestionan por otra el proceso productivo. Y en la especial importancia del papel que en una co-rrecta y buena gestión de la empresa tienen, por tanto, estos profesionales.


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Actualmente en España es la Ley de Prevención de Riesgos Laborales y los Reglamentos que la desarrollan el marco jurídico que obliga al empre-sario a realizar la prevención de riesgos laborales mediante la adopción de cuantas medidas sean necesarias con el fin de garantizar una protección efi-caz de la seguridad y la salud de los trabajadores a su servicio en todos los aspectos relacionados con el trabajo.

Esta obligación, manifestada de esta manera tan absoluta, es una conse-cuencia del poder de dirección del empresario, que asigna determinadas ta-reas y funciones, en unas condiciones de trabajo fijadas por él. Estas condi-ciones de trabajo deben ser tales que no supongan una amenaza para la salud y para la integridad física de los trabajadores. En suma: no deben pro-vocar ni favorecer la aparición de accidentes y enfermedades o patologías.

Como tampoco deben ser estas condiciones de trabajo, las que pertur-ben la buena marcha del sistema productivo y sean fuente de errores, pér-didas, retrasos, defectos, etc., que correspondan a una mala gestión de la empresa, traducida finalmente en una baja productividad y una calidad defectuosa del producto o servicio que se ofrece.

En un mercado tan marcadamente competitivo como el de esta época, el Mercado Único Europeo, abierto al mercado global mundial, los objeti-vos de calidad son imprescindibles para la supervivencia y desarrollo de las empresas. Para alcanzar la calidad del producto o servicio que se ofrece al final del proceso productivo, se debe mantener una coherencia entre to-das las funciones que se ejercen en la organización de la empresa, con unos objetivos de calidad en todas las fases del sistema productivo: En la misma fase inicial de concepción y diseño, la adquisición de equipos y ma-teriales y materias primas de calidad adecuada, la implantación (y el buen mantenimiento y control) de las instalaciones y equipos, con una calidad en la gestión de la empresa, en el proceso productivo y en el producto fi-nal, incluida su puesta en el mercado. Desde esta perspectiva se comprende que debe estar incluida la calidad de las condiciones de trabajo para los ob-jetivos de calidad total.

Siguiendo el dicho: la cadena se rompe por el eslabón más débil, en el concepto de calidad total se excluye cualquier «dejadez» en ningún aspecto del sistema productivo. Es obvio la necesidad de aplicar el mismo rigor en todos los ámbitos si no se quiere exponer al fracaso la estrategia de calidad que se pretende establecer.


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Es crucial, pues, partir del convencimiento de la necesidad de diseñar, mantener y controlar unas buenas —de calidad— condiciones de trabajo. Se impone, además un clima de mutua confianza y colaboración con los trabajadores. De aquí el valor de unos cauces de comunicación y participa-ción. En definitiva, la gestión de la prevención de los riesgos laborales debe estar integrada en la gestión global de la empresa, con la determinación de unos objetivos formando parte de los objetivos de calidad, planificando y organizando la actividad preventiva en el conjunto del sistema productivo y de la organización de la empresa.

10.6. CONDICIONES AMBIENTALES E HIGIENE INDUSTRIAL

Los trabajadores ejecutan las funciones y tareas asignadas por la empre-sa en un ambiente de trabajo cuyas características o condiciones ambientales pueden influir no solo en la calidad del trabajo que realizan, sino también en la seguridad y salud, propias y de los demás. A estas condiciones ambien-tales, se refieren las técnicas preventivas, de carácter no médico, englobadas bajo la denominación de higiene industrial. Estas condiciones cuando no son adecuadas pueden suponer un riesgo para la salud, lo que conduce a la posibilidad de sufrir una enfermedad o alteración patológica a consecuencia de uno o varios peligros y factores de riesgo ambientales.

Casi siempre, salvo los casos en que aparecen efectos de carácter inme-diato o agudos, se trata de alteraciones de la salud debidas a una exposi-ción más o menos continuada a estos riesgos ambientales laborales, de evo-lución paulatina y en principio desapercibida, que va manifestando con el tiempo síntomas, específicos o no, que van delatando una enfermedad o patología de carácter crónico. La higiene industrial abarca fundamental-mente este tipo de riesgos cuyos efectos, en general, son diferidos con el tiempo, descartando en consecuencia los riesgos de accidente, por ejemplo, los de incendio o explosión, también debidos a ambientes inadecuados, por la presencia de determinados agentes físicos y químicos.

Las técnicas preventivas englobadas bajo la denominación actual de la Higiene Industrial nacen como consecuencia de la prevención de enfermeda-des que se comprobaba que tenían su origen en la actividad laboral. Desde el principio, los conceptos de Higiene Industrial y Medicina del Trabajo están íntimamente relacionados, siendo en los primeros tiempos los profesionales de la Medicina quienes detectaban los problemas higiénico-laborales.


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La higiene industrial tal como se concibe actualmente, surge después de la revolución industrial como una necesidad ineludible de proteger a los trabajadores contra los graves riesgos que con ocasión del trabajo, por unas malas condiciones en que se acomete el mismo, conducen a la enfer-medad y al acortamiento de la esperanza de vida.

Anteriormente, (10.3.3.) se ha tratado los conceptos esenciales de la hi-giene industrial.

El trabajo influye sobre la salud, pero puede hacerlo tanto en sentido positivo como negativo. Lo óptimo consiste en favorecer el primer aspecto y rebajar sino anular el segundo.

En cualquier caso, hay que tener en cuenta:

Que los valores límites de referencia para la evaluación de los ries-• gos, establecidos en muchos casos legalmente, no son barreras rígi-das y definidas, por lo que no pueden explicarse respuestas indivi-duales o aisladas.

En muchos casos no son conocidos los efectos a largo plazo de los • agentes contaminantes. Además, generalmente no se puede cuantifi-car el resultado de sus efectos antagónicos o aditivos.

La introducción en el mercado de nuevos productos y materiales, cu-• yos efectos no son aún conocidos.

Las limitaciones de carácter analítico en la evaluación de las concen-• traciones de los contaminantes químicos, cada vez más bajas, así como por las posibles interferencias, por lo que se necesita de técni-cas altamente precisas, sensibles y seguras.

La dificultad de conseguir una buena representatividad de la medida • o análisis en unas condiciones y un momento determinado con res-pecto a las condiciones reales a lo largo de la jornada de trabajo.

10.6.1. Partes de la higiene industrial

Para llevar a cabo las funciones y objetivos de la Higiene Industrial, la identificación, medida, corrección y control de los ambientes laborales con el fin de prevenir la aparición de enfermedades, la Higiene Industrial se es-


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tructura en cuatro ramas, a las que corresponden los siguientes objetivos y funciones específicas:

La Higiene Básica o Teórica es la más importante, ya que sienta las bases de actuación de las otras tres. Su objetivo fundamental es establecer la relación dosis-respuesta, proponiendo unos valores límite de referencia para cada agente contaminante, por debajo de los cuales la mayoría de los trabajadores pueden estar expuestos sin sufrir ningún riesgo o alteración funcional a lo largo de su vida laboral.

La Higiene de Campo tiene como objetivo principal acometer el estu-dio de la situación higiénica del ambiente de trabajo concreto de cada caso. Para ello se desarrollan diversas funciones tales como:

Análisis de los puestos de trabajo 1. que incluyen el estudio del proceso tec-nológico producción, inventario de materias primas, productos y sub-productos empleados, trabajadores expuestos, tiempo de trabajo, etc.

Identificación cualitativa de contaminantes.2.

Valoración de la situación higiénica 3. mediante técnicas de medida di-recta y toma de muestra para su análisis posterior.

Recogida de cualquier otro tipo de información 4. que sea de interés para la evaluación final de la situación higiénica de los puestos de trabajo.

La Higiene Analítica tiene como objetivo fundamental la identificación y análisis cuantitativo de los agentes contaminantes presentes en el puesto de trabajo, bien mediante medidas «in situ» o bien sobre muestras repre-sentativas tomadas en el puesto de trabajo utilizando las técnicas adecua-das (Higiene de campo). Dado el gran número de agentes contaminantes posibles y las bajas concentraciones en que generalmente se encuentran en el ambiente, las técnicas analíticas deben ser lo suficientemente sensibles precisas y específicas. También la Higiene analítica, colabora con la Medici-na del trabajo en el análisis de muestras biológicas (sangre, orina, tejidos... etc.) Asimismo colabora con la Higiene Teórica y con la Toxicología para el establecimiento y revisión de los valores límites de referencia.

La Higiene Operativa persigue la corrección técnica del ambiente y de los puestos de trabajo que presenten riesgos higiénicos para reducirlos a lí-mites tolerables para la salud. Para conseguir este objetivo se debe actuar sobre algunos de los tres aspectos siguientes, según el orden de prioridad:


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La fuente o foco contaminante.1.

El medio ambiente en el que se propaga.2.

Sobre el sujeto receptor, en este caso el trabajador.3.

De todo lo expuesto que a pesar de la división en ramas, la Higiene In-dustrial es el conjunto de coordinado de la actuación de todas ellas, con el objeto de prevenir los riesgos ambientales laborales y que es una ciencia interdisciplinar que incluye conocimientos de Medicina, Toxicología, Quí-mica, Física e Ingeniería.

En la Higiene Industrial se puede definir como «agente contaminante» a toda manifestación energética o tipo de materia viva o no, que estando presen-te en el ambiente laboral puede afectar a la salud de las personas, siempre que su intensidad o concentración supere unos límites definidos para cada caso o su capacidad de actuar, en el caso de los agentes vivos, sea amenazadora.

Según se trate de una energía, de un producto químico o de un ser vivo, los contaminantes se clasifican en tres grandes grupos:

Agentes contaminantes físicos.•

Agentes contaminantes químicos.•

Agentes contaminantes biológicos.•

10.6.2. Exposición a agentes químicos

La descripción de los riesgos por agentes químicos y las acciones pre-ventivas frente a ellos, es una tarea un tanto complicada por diversas razo-nes. Los productos químicos que se comercializan son muy numerosos y de muy variadas propiedades. Según el Inventario Europeo de Sustancias Comercializadas Existentes (EINECS según sus siglas en inglés), éstas son más de cien mil. A ello hay que añadir las innumerables mezclas o Prepa-rados, de la más diversa índole (plaguicidas/biocidas, medicamentos y productos fitosanitarios, disolventes, pinturas y análogos, cosméticos, adi-tivos con diversos fines, adhesivos, productos de limpieza, etc.) Además hay que considerar otras muchas sustancias no inventariadas por ser pro-ductos intermedios de reacción, residuos e impurezas, productos secunda-rios y resultantes de descomposición o degradación, etc.


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Por otra parte, dada la generalización de la utilización de productos químicos y de procesos que generan contaminantes químicos, nos encon-tramos que prácticamente en cualquier actividad existen riesgos por agen-tes químicos, desde las tareas domésticas a la misma industria química, pasando por la agricultura, la sanidad, la minería, la construcción (mate-riales, soldaduras, tratamientos, explosivos, etc.), procesos basados en la combustión y otras reacciones químicas, limpieza, oficinas, transporte (es-pecialmente de mercancías peligrosas) e industrias tales como la de la ma-dera, calzado, mecánica, eléctrica, nuclear... En fin, prácticamente todas.

Además, los riesgos pueden ser de muchos tipos. Desde la posibilidad de generar incendios, explosiones e intoxicaciones agudas (accidentes) hasta la capacidad de causar daños irreversibles para la salud a medio o largo plazo, como la silicosis o diversos tipos de cáncer (enfermedad profesional).

Los mecanismos de desencadenamiento de los riesgos son también muy variados, según se trate de la provocación de incendios o explosiones, contactos con la piel, generación de gases y vapores, polvos en el ambiente, ingestión por vía oral, etc.

En la aparición de los riesgos y en su mayor o menor grado de gravedad, pueden influir distintos factores, como el estado de agregación (líquido, pol-vo, aerosol, vapor, etc.), la concentración unida a la temperatura y la pre-sión, la dosis de incorporación al organismo, las vías de entrada a éste, etc.

En primer lugar es necesario, por razones no solo científicas y meto-dológicas sino también prácticas y legales o reglamentarias, realizar una primera división en el tratamiento de estos riesgos. Se trata de los concep-tos que corrientemente se denominan, en el campo industrial y laboral, aunque ciertamente con diversas interpretaciones o acepciones, seguri-dad química e higiene industrial. Es decir, la prevención de accidentes relacionados con los agentes químicos (incendios, explosiones, grandes fugas, intoxicaciones agudas, por ejemplo), o lo que es lo mismo, los efec-tos inmediatos o a corto plazo, y la prevención de enfermedades profesiona-les o efectos a medio o largo plazo. También cabría distinguir entre efec-tos no tóxicos y tóxicos, y éstos a su vez, en agudos y crónicos.

En general se pueden distinguir efectos agudos, cuando se presentan después de muy poco tiempo de la exposición, por ejemplo, algunas horas, y de manera clara y normalmente fácilmente reconocible, como la asfixia, los vómitos y la pérdida de visión, y efectos crónicos, cuando se presentan


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después de un largo tiempo (meses y hasta muchos años) de producirse la exposición, que puede ser repetida durante un cierto tiempo, no siendo tan manifiestamente reconocibles y difíciles de relacionar con la situación que los ha causado.

También los efectos pueden ser calificados como reversibles e irrever-sibles, si después de un cierto tiempo, en ausencia de exposición, el orga-nismo se recupera por completo y alcanza su estado normal o si al contra-rio, quedan secuelas y no se llega a volver al estado normal. Por ejemplo, una irritación pasajera y una ceguera permanente, respectivamente.

Según los daños para la salud humana se clasifican en:

Muy tóxicos, si por inhalación, ingestión o penetración cutánea, en muy pe-queña cantidad, pueden provocar efectos agudos o crónicos o incluso la muerte.

Tóxicos, si por las mismas vías de entrada, en pequeña cantidad, pueden pro-vocar efectos agudos o crónicos, o incluso la muerte.

Nocivos, si por tales vías de entrada, en cantidades no pequeñas, pueden pro-vocar efectos agudos o crónicos, o incluso la muerte

Corrosivos, que en contacto con tejidos vivos, pueden ejercer una acción des-tructiva contra ellos.

Irritantes, los que no siendo corrosivos, por contacto breve, prolongado o repe-tido con la piel o las mucosas pueden provocar una reacción inflamatoria.

Sensibilizantes, los que por inhalación o penetración cutánea, puedan ocasio-nar una reacción de hipersensibilización, de forma que una exposición posterior dé lugar a efectos negativos característicos.

Carcinogénicos, o también cancerígenos, cuando por inhalación, ingestión o penetración cutánea, puedan producir cáncer o aumentar su frecuencia.

Mutagénicos, los que por inhalación, ingestión o penetración cutánea, pue-dan producir alteraciones genéticas hereditarias o puedan aumentar su frecuencia.

Tóxicos para la reproducción, los que por inhalación, ingestión o penetración cutánea, pueden producir efectos negativos no hereditarios en la descen-dencia, o aumentar la frecuencia de éstos, o afectar de forma negativa a la función o capacidad reproductora masculina o femenina.


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Dos son las principales vías de entrada al organismo de agentes químicos con ocasión del trabajo: por vía respiratoria o inhalatoria y por vía dérmica o a través de la piel. Para la evaluación de los riesgos por vía inhalatoria es imprescindible determinar la naturaleza, grado y duración de la exposición de los trabajadores a los diferentes agentes para poder evaluar los correspon-dientes riesgos y después tomar las medidas a que hubiera lugar.

Para valorar el riesgo se compara los resultados de la evaluación de la exposición con el criterio escogido de valoración. En los riesgos por la vía respiratoria se recurre, si ello es necesario, a la medición de concentracio-nes ambientales del contaminante como dato numérico de base. El criterio de valoración establece valores de referencia con los que se comparan los resultados de la evaluación de la exposición.

El establecimiento de los valores de referencia se realiza a partir de da-tos epidemiológicos, ensayos toxicológicos, estudios de extrapolación quí-mica y otras investigaciones, y requiere la determinación previa de los efectos admisibles en relación con el conjunto de una población de refe-rencia que se toma como normal, lo que se traduce en una dosis máxima tolerable. A partir de este dato y en relación con una jornada de trabajo tipo o cualquier otro período de tiempo de referencia, teniendo en cuenta la re-lación entre la concentración existente en el ambiente y la dosis incorpora-da al organismo, se puede fijar un valor límite de exposición.

En general, pueden ser de dos tipos: «puntuales» o «ponderados» res-pecto un período de tiempo predeterminado. Los primeros se denominan concentraciones máximas permisibles o valores techo y los segundos valo-res promedio máximos permisibles de exposición.

Las concentraciones máximas permisibles son valores máximos de con-centración del contaminante presente en el ambiente que no deben supe-rarse en ningún instante. Se denominan comúnmente Límites Ambientales de Exposición Profesional de Corta Duración.

Los Límites Ambientales de Exposición Diaria son los valores máximos para la concentración de contaminante presente en el ambiente promedia-da durante un período de tiempo tomado como referencia, que general-mente suele ser de ocho horas diarias (jornada tipo).

La utilización de estos valores, independientemente de que tengan o no una fuerza legal, debe ser como una referencia para la adopción de todas


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las medidas preventivas necesarias para minimizar el riesgo, procurando que las exposiciones estén lo más alejadas posible de los mismos.

Tanto la realización de mediciones como las correspondientes evaluacio-nes de las exposiciones y valoraciones de los riesgos, así como la adopción de las medidas correctoras y de control consecuentes, deben realizarse por profesionales competentes en estas materias, con el instrumental idóneo de-bidamente preparado, siguiendo una estrategia de muestreo y unos métodos adecuados a los posibles riesgos y características del proceso y lugar.

10.6.3. Exposición a agentes físicos

Los agentes físicos corresponden a distintas energías o manifestaciones de la energía. Según la clase o tipo de energía o manifestación de la misma, los agentes físicos se clasifican de la siguiente manera:

Energías mecánicas1. , transmitidas a través de medios elásticos (por lo tanto nunca a través del vacío) por movimiento u ondas vibrato-rias. Se destaca:

Sonidos (• Ruido continuo o intermitente y de impulso o impacto).

Ultrasonidos e infrasonidos.•

Vibraciones (• Vibración mano-brazo y vibración del cuerpo entero).

Variaciones de presión (sobrepresiones, depresiones, vacío,...).•

Energías o interacciones electromagnéticas2. , transmitidas por on-das electromágnéticas, en el vacío y a través de la materia no opa-ca. Se refieren al denominado espectro electromagnético de energía, que abarca radiaciones de la misma naturaleza (electromagnética) que solo se diferencian unas de otras por el valor de un único pará-metro (su frecuencia o su longitud de onda, que además determina su mayor o menor cantidad de energía). Se incluyen aquí también las denominadas radiaciones corpusculares, que constituyen haces de partículas subatómicas. Se distinguen:

Radiaciones electromagnéticas:•

Radiación cósmica(*). —

Radiación — γ (gamma)(*).


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Radiación X(*). —

Radiación ultravioleta (UV). —

Radiación visible (luz visible para la especie humana). —

Radiación infrarroja (IR). —

Microondas (MW). —

Radiación de Radiofrecuencias (RF). —

Sub-radiofrecuencias. —

Láseres. —

Campos eléctricos estáticos. —

Campos magnéticos estáticos. —

Pulsos electromagnéticos. —

Radiaciones corpusculares• (*):

Radiación catódica (haces de electrones, radiación — β beta).

Radiación anódica (haces de iones positivos, radiación — α).

Radiación protónica, radiación neutrónica, — etc.

Desde el punto de vista de los riesgos por exposición a estos agentes, está muy extendida la clasificación entre radiaciones ionizantes y radiaciones no-ionizantes, según que produzcan efectos que con-llevan la ionización de la materia o no, al interaccionar con la mis-ma, lo que supone un componente de mayor gravedad al atravesar o incorporarse a los organismos vivos. Las radiaciones ionizantes se han señalado con (*). Se denominan radiaciones ópticas a las UV, Vi-sible, IR y láseres ópticos.

Energías caloríficas3. o condiciones termohigrométricas del ambien-te de trabajo. Abarca los denominados riesgos por estrés y tensión térmica, combinados con el grado de humedad y el estado de movi-miento del aire circundante, por calor o por frío.

10.6.4. Exposición a agentes biológicos

A efectos de la práctica de la higiene industrial, se consideran como agentes biológicos los microorganismos, con inclusión de los genéticamen-


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te modificados, cultivos celulares y endoparásitos humanos, susceptibles de originar cualquier tipo de infección, e infestación, alergia o toxicidad.

Se define como microorganismo toda entidad microbiana, celular o no, capaz de reproducirse o de transferir material genético, y cultivo celular como el resultado del crecimiento in vitro de células derivadas de organismos multicelulares.

En consecuencia, se consideran aquí como agentes biológicos peligro-sos a aquellos que pueden alterar la salud de la especie humana, más con-cretamente, a los trabajadores sanos y en relación con su trabajo. Los agen-tes que considera pertenecen a:

Bacterias y afines, como las rickettsias.•

Virus y otros agentes no clasificados asociados. •

Endoparásitos.•

Hongos.•

Estos agentes se clasifican en cuatro grupos de riesgos, atendiendo ex-clusivamente a su potencial peligrosidad en el trabajo, con lo que esta clasi-ficación diferirá de otras en el ámbito de la población humana en general, o a nivel de la sanidad animal o vegetal. Así, por ejemplo, al excluirse aquí la vía sexual de transmisión, ciertos agentes se clasifican en grupos de me-nor riesgo por presentarlo así por las vías de transmisión posibles en el tra-bajo o por su atenuación en los ambientes laborales.

Los cuatro grupos de riesgo laboral son:

Grupo 1• , cuando es poco probable que altere la salud de los humanos.

Grupo 2• , cuando puede afectar a los humanos y suponer un peligro para los trabajadores, siendo poco probable que se propague a la co-lectividad y existen generalmente profilaxis o tratamiento eficaces.

Grupo 3• , cuando puede causar una enfermedad grave a los humanos y presenta serio peligro para los trabajadores, con riesgo de propagación a la colectividad, y existen generalmente profilaxis o tratamiento eficaces.

Grupo 4• , cuando puede causar una enfermedad grave a los humanos y suponga un serio peligro para los trabajadores, con muchas probabi-lidades de que se propague a la colectividad, y no existen generalmente profilaxis o tratamiento eficaces.


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Estos riesgos no solo existen en aquellos centros o actividades en que se manipulen intencionadamente estos agentes, como los laboratorios de diagnóstico microbiológico, los locales con animales de laboratorio conta-minados deliberadamente y los procesos industriales que utilicen agentes biológicos (biotecnología), sino también, por ejemplo:

Industria alimentaria.•

Agricultura.•

Trabajos con contacto con animales o productos de origen animal.•

Trabajos de asistencia sanitaria y conexos (p.e. anatomía patológica).•

Laboratorios clínicos, veterinarios y de diagnóstico.•

Tratamiento y eliminación de residuos.•

Depuración de aguas residuales.•

Las posibles vías de penetración con ocasión del trabajo son:

Por inhalación, a través de nariz y boca, por vía respiratoria.•

Por ingestión, a través de la boca y vía digestiva.•

A través de la piel (absorción dérmica) o en ella.•

Por vía parenteral, a través de heridas, cortes, pinchazos, etc.•

Para la evaluación de los riesgos hay que determinar la índole, grado y duración de la exposición laboral, atendiendo en particular a:

Clasificación de agentes biológicos según su • riesgo laboral.

Las recomendaciones de las autoridades • públicas responsables.

Información sobre posibles enfermedades contraídas por los trabaja-• dores con ocasión de su trabajo.

Efectos alergénicos o tóxicos potenciales vinculados al trabajo.•

Detección de una enfermedad en un trabajador relacionada directa-• mente con el trabajo.

En cuanto a las acciones preventivas a tomar, se pueden presentar tres casos:


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Existencia exclusiva de riesgo de exposición a agentes del • Grupo 1: No será necesaria ninguna medida preventiva, salvo que se aprecie que presente un riesgo sanitario para los trabajadores o que se utili-cen deliberadamente, en cuyo caso será suficiente la buena práctica profesional que incluye principios de seguridad e higiene.

Actividades • sin intención deliberada de manipular o de utilizar agentes biológicos, pero con riesgo de exposición a agentes de los Grupos 2, 3 o 4: Se aplicarán los principios de prevención según las prioridades de los mismos, procurando en la fase de diseño y proyecto sustituir el agente por otro menos peligroso o evitar la posible exposición, actuar sobre el foco, el medio y el propio trabajador, con especial atención a los métodos de trabajo, a su organización y a la limpieza e higiene, la información y la formación de los trabajadores así como la adecuada vigilancia de la salud. Medidas especiales, añadidas, como desconta-minación, desinfección y determinadas medidas de contención, debe-rán tomarse en los servicios médicos y veterinarios.

Actividades en que deliberadamente • se manipulan o utilizan agentes biológicos de los grupos 2, 3 y 4: Se aplicarán los principios de preven-ción, siendo prioritario evitar la exposición o reducirla al mínimo po-sible. En particular se tomarán las medidas de contención correspon-dientes establecidas en la legislación citada para los servicios médicos y veterinarios, laboratorios y animalarios, por una parte, y para los procesos industriales, por otra; se utilizará la señalización de peligro biológico y formación, información, planes de emergencia, profilaxis, notificación a la autoridad competente y vigilancia de la salud.

10.6.5. Control de las exposiciones

La actuación preventiva en Higiene Industrial, como ya se ha indicado con anterioridad, se concreta en cuatro fases esenciales: Reconocimiento e Identificación; Análisis, Evaluación y Corrección y Control.

El reconocimiento e identificación parte de conseguir toda la informa-ción posible que permita centrar el problema y vislumbrar los posibles riesgos higiénicos en la empresa y puestos de trabajo objeto de estudio. La información recogida debe provenir de todos los interlocutores afectados por el problema (trabajadores, miembros del comité de Higiene y Seguri-


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dad, técnicos, servicios médicos... etc.), así como de los datos y estudios epidemiológicos relativos a actividades similares a las investigadas.

A partir de estos datos se pueden identificar las actividades con posibles riesgos higiénicos y los puestos de trabajo de mayor exposición. Para esta identificación será de gran valor conocimiento profundo del proceso tecnoló-gico y la experiencia del higienista. De todo ello se debe sacar una impresión subjetiva, que debe ser confirmada objetivamente mediante la utilización de instrumentos analizadores de lectura directa, que nos proporcionan datos analíticos cualitativos y semicuantitativos y que deberán ser ratificados por los métodos y técnicas instrumentales que se utilizarán en la etapa siguiente.

En la fase del análisis se realiza la determinación de los posibles agentes contaminantes identificados cualitativamente en la etapa anterior, bien me-diante aparatos de lectura directa en el propio puesto de trabajo, o mediante toma de muestra ambientales para su posterior análisis en los laboratorios.

La evaluación higiénica se basa en los datos analíticos obtenidos en las dos etapas anteriores convenientemente integrados en un Informe de Re-sultados, que se comparan con los valores de referencia.

Mediante esta evaluación higiénica podremos llegar a cuantificar el riesgo, con lo que tenemos dos posibles situaciones:

El riesgo es aceptablea) esto indica que la situación es relativamente se-gura por tanto únicamente es recomendable la realización de con-troles periódicos que permitan verificar que las condiciones acepta-bles se sigan manteniendo, o la otra situación.

El riesgo no es aceptableb) , en cuyo caso hay que realizar medidas co-rrectoras, que veremos en la siguiente fase, siendo la Higiene Opera-tiva la encargada de realizarlas.

La corrección y control consiste en medidas que se pueden clasificar en los siguientes tipos:

Sustitución de sustancias y procesos por otros menos peligro-a) sos, siempre que técnicamente sea posible. Obviamente es la me-dida preventiva más eficaz. Por ejemplo, la sustitución de un disol-vente tan peligroso como el benceno, especialmente por su carácter carcinógeno, otro mucho menos tóxico como es el tolueno, con pro-piedades similares.


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Aislamiento de la fuenteb) , que evite la salida del contaminante ha-cia el ambiente. Técnicamente es la mejor medida, después de la sustitución, pero no siempre es aplicable tecnológicamente.

Confinamientoc) , que consiste en separar físicamente las operaciones peligrosas para limitar al máximo la población expuesta. Con ello se evita que otros trabajadores que están en puestos no peligrosos, es-tén expuestos al riesgo producido en un puesto peligroso definido. Además con esta medida se podrán intensificar y concentrar las ac-ciones correctoras en dicho puesto o zona.

Captación (o anulación) del contaminante en el mismo punto d) en que se produce. La finalidad de esta medida es que el conta-minante se disperse en el ambiente del puesto de trabajo y en sus mediaciones. El método consiste en la colocación de extracciones localizadas en los focos de emisión de los contaminantes. Esta me-dida se aplicará cuando la sustitución y el aislamiento o encapsu-lamiento de la fuente sean impracticables. El sistema puede no en-trañar en sí excesivas modificaciones, si bien en algunos casos la inversión económica es costosa, sobre todo teniendo en cuenta que el aire contaminado procedente de la extracción localizada debe ser convenientemente depurado antes de evacuarlo a la atmósfe-ra exterior, ya que en caso contrario podría producir un problema de contaminación ambiental más grave aun que el que se pretende solucionar.

Actuaciones sobre el medio de transmisión. e) En el caso de los con-taminantes químicos consiste en la ventilación general de las áreas de trabajo. Este método resulta especialmente útil cuando las con-centraciones de los contaminantes no son muy elevadas; si bien, pue-de producir un enrarecimiento del ambiente por acumulación de ta-les contaminantes. En el caso de agentes físicos y biológicos consiste en la interposición de barreras que absorban o separen el contami-nante como es el caso, por ejemplo, de las barreras acústicas para el ruido y de la amortiguación de las vibraciones por medio de materia-les convenientes.

Limitación de los tiempos de exposiciónf) de los trabajadores, con el fin rebajar la exposición, compatibilizándola con la minimización del número total de trabajadores expuestos.


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Utilización de los equipos de protección individualg) apropiados. Esta medida solo debe ponerse en práctica cuando resulte insufi-ciente la aplicación de todas las medidas anteriores. En otras pala-bras: se utilizan cuando se conozca o se sospeche que existen ries-gos residuales a pesar de las medidas preventivas adoptadas. Hay que tener en cuenta que estos equipos requieren un mantenimien-to continuo y cuidadoso, con el fin de que su eficacia protectora sea completa.

Se deben tomar las medidas preventivas más adecuadas, de acuerdo con los resultados obtenidos. Se tendrá en cuenta la prioridad absoluta del principio de sustitución de aquellos productos peligrosos por otros ino-cuos o que presenten un menor riesgo sobre las actuaciones sobre la fuen-te, primando en el caso de no garantizar la prevención necesaria con estas últimas medidas, la protección colectiva sobre la utilización de equipos de utilización individual. En cualquier caso, deberá limitarse la utilización del producto o del equipo que el origen del riesgo peligroso al mínimo indis-pensable, así como también se minimizará el número de personas expues-tas y el tiempo de exposición.

Además deben aplicarse, en todo caso, las medidas preventivas que se refieren a la organización y métodos de trabajo, la higiene personal y lim-pieza de la ropa y de los puestos de trabajo, la información sobre los ries-gos a los que está expuesto el trabajador, la formación específica en rela-ción al puesto de trabajo y sus riesgos, los planes de emergencia, los primeros auxilios en caso de accidente y los planes de reconocimiento para la vigilancia de la salud de los trabajadores expuestos, así como la periodi-cidad de las evaluaciones de los riesgos y la verificación en su caso de la eficacia de todas las medidas adoptadas.

Finalmente hay que subrayar que las nuevas tendencias de la legisla-ción comunitaria en el campo de la prevención apuntan hacia una preven-ción ambiental integral, que incluya no sólo la prevención de los riesgos la-borales que aborda la Higiene Industrial, sino también la prevención de riesgos externos, esto es la prevención de la contaminación ambiental, no sólo la contaminación atmosférica, sino también la contaminación hídrica y la contaminación por residuos sólidos. Todo ello debe conseguirse me-diante el desarrollo de «Tecnologías Limpias» que minimicen la produc-ción de residuos y faciliten la recuperación, reutilización y reciclaje de los


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productos residuales. Esta Prevención Medioambiental conducirá a un mayor aprovechamiento de los recursos naturales, a una mejora en las condiciones de trabajo, una mejor conservación del Medio Ambiente y fi-nalmente a una mejora en la competitividad de la propia empresa. Todo ello debe traducirse en una mayor calidad de vida de la sociedad en su conjunto.

10.7. POLÍTICAS Y LEGISLACIÓN SOBRE SEGURIDAD Y SALUD EN EL TRABAJO

En los últimos años es creciente la preocupación social y de las adminis-traciones públicas y de los poderes públicos por la elevada siniestralidad la-boral tanto en España como en el resto del mundo industrializado. Una so-ciedad que se pretende avanzada no puede soportar los altos números de accidentes, en particular graves y mortales, así como el elevado número de enfermedades derivadas o relacionadas con condiciones de seguridad y sa-lud en el trabajo inadecuadas, que además no tienen un reflejo real en las es-tadísticas al existir una subdeclaración como enfermedades profesionales.

Esta preocupación ha generado todo un conjunto de diversas actuacio-nes que constituyen políticas específicas de seguridad y salud en el trabajo. Corresponden a España las políticas específicas de la Unión Europea, las del Estado central, Comunidades Autónomas y Entidades Locales. Tales actuaciones incluyen una intensa labor legislativa en este ámbito acompa-ñada de planes de actuación con todo tipo de acciones de promoción del cumplimiento de las obligaciones empresariales, de sensibilización de to-dos los agentes: empresarios, representantes de los trabajadores, profesio-nales con el fin de implantar y consolidar una cultura preventiva, de infor-mación, de formación y de investigación.

Esta cultura preventiva es esencial por la propia esencia anticipadora de la prevención, que será tanto más eficaz cuanto antes se tenga en cuen-ta sus principios, es decir, en las fases iniciales de análisis que deben pre-ceder a toda toma de decisiones y las fases de diseño y proyecto, tanto de procesos, instalaciones y equipos como de organización y métodos de tra-bajo. En estas fases como en las de ejecución tienen un papel decisivo los profesionales, en particular los licenciados e ingenieros con responsabili-dades en las empresas.


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Con independencia de lo establecido en otras Leyes como la del Estatu-to de los Trabajadores, la Ley de Infracciones y Sanciones en el Orden So-cial y la Ley General de la Seguridad Social, la referencia básica en España para estos aspectos es la Ley de Prevención de Riesgos Laborales de 8 de noviembre de 1995 y sus posteriores modificaciones.

Esta Ley y su desarrollo normativo, en cuanto derecho laboral, tiene un carácter de derecho necesario (imperativo, de incumplimiento inexcusa-ble), mínimo (mejorable para el trabajador a través de la negociación colec-tiva, convenios colectivos y acuerdos) e indisponible (no puede renunciarse o menoscabarse en ningún caso, ni siquiera por pacto o por negociación).

La competencia normativa es exclusiva de las instituciones centrales del Estado. Sin embargo está transferida las competencias de ejecución de esta legislación a las Comunidades Autónomas, que las ejercen fundamen-talmente por medio de las Administraciones laborales.

Esta legislación se aplica por igual a cualquier trabajo por cuenta aje-na, por lo que no solo se aplica al ámbito de las empresas y de las relacio-nes laborales, regidas por el Estatuto de los Trabajadores sino también a todo el personal al servicio de la Administración pública, cualquiera que sea su relación administrativa o estatutaria.

La Ley establece de modo expreso (Capítulo III: Derechos y obligacio-nes) que los «trabajadores tienen derecho a una protección eficaz en materia de seguridad y salud en el trabajo». A continuación añade que este derecho

supone la existencia de un correlativo deber del empresario de protección de los trabajadores frente a los riesgos laborales. Este deber de protección cons-tituye, igualmente, un deber de las Administraciones públicas respecto del personal a su servicio.

La Ley dispone que

en cumplimiento del deber de protección, el empresario deberá garantizar la seguridad y la salud de los trabajadores a su servicio en todos los aspec-tos relacionados con el trabajo.

Añade que a estos efectos deberá

realizar la prevención de los riesgos laborales mediante la adopción de cuantas medidas sean necesarias para la protección de la seguridad y la sa-lud de los trabajadores.


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Estas medidas deben ser esencialmente preventivas incluyendo la infor-mación, la consulta y la participación, y la formación en materia preventi-va de los trabajadores así como las actuaciones en caso de emergencia, riesgo grave e inminente y vigilancia de la salud, mediante la organización de la prevención con los medios humanos y materiales necesarios.

Todas estas medidas serán acordes con las necesidades preventivas de-terminadas por la evaluación de los riesgos y la consecuente planificación de actividades, para lo cual debe disponerse de la organización y medios materiales y humanos necesarios, pudiendo recurrir a servicios externos.

También se determinan las obligaciones de los trabajadores en estas materias «de conformidad con su formación y las instrucciones del empresa-rio» y según sus posibilidades.

En todo caso se deberá tener en cuenta la especial vulnerabilidad tem-poral o permanente de aquellas personas que presenten una especial sus-ceptibilidad a determinados factores de las condiciones de trabajo, refle-jándose tales casos en la evaluación de los riesgos y en la adopción de las medidas consecuentes, con el fin de que esas personas estén debidamente protegidas. Se hace especial mención al período de embarazo y al de lac-tancia así como a las discapacidades, a las sensibilizaciones o alergias y al trabajo de los menores de 18 años.

Se establece también las responsabilidades y obligaciones en los traba-jos temporales, de duración determinada y en empresas de trabajo tempo-ral así como cuando en un mismo centro de trabajo concurren diversas empresas y cuando se recurre a la subcontratación.

Los trabajadores tienen derecho a ser consultados por la empresa, con la antelación suficiente, sobre las cuestiones que afecten significativamen-te a su seguridad y salud. También tienen derecho a participar en la pre-vención de los riesgos laborales.

Estos derechos de consulta y participación se pueden canalizar a través de los representantes de los trabajadores y de aquellos representantes espe-cializados en estas materias, los delegados de prevención.

El número de delegados y el sistema de elección o designación se lleva-rá a cabo según los acuerdos que en cada ámbito de la Administración pú-blica estén establecidos. Para las empresas se encuentra regulado en el Ca-


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pítulo V de la Ley de Prevención, que a su vez permite fórmulas diferentes si así se acuerda por medio de la negociación colectiva. En este mismo ca-pítulo de la Ley se establecen las competencias y facultades de los delega-dos de prevención así como el sigilo profesional y su salvaguarda en el ejercicio de sus funciones y la posibilidad de constituir un comité de seguri-dad y salud, de carácter paritario, a partir de 50 trabajadores en un centro o en una empresa.

El comité de seguridad y salud se define como un órgano paritario y colegiado de participación destinado a la consulta regular y periódica de las actuaciones relevantes en materia de prevención, con el derecho a plan-tear cuestiones y presentar propuestas. La representación de los trabajado-res está constituida por los delegados de prevención y la de la empresa por los que se designen por la Dirección. Es conveniente que por parte de la empresa asistan como representantes los que cuenten con elevado nivel de decisión y responsabilidad, en particular en aquellos ámbitos de la organi-zación y del proceso productivo con mayor implicación en las actividades de riesgo y en la toma de decisiones con mayor influencia en los propias condiciones de trabajo. Cabe la posibilidad de asistir con voz pero sin voto de cuantos asesores se estimen convenientes por alguna de las partes.

Todo trabajador debe ser informado y formado de modo específico con-forme a los riesgos concretos de su puesto de trabajo y las medidas preven-tivas adoptadas, así como de los riegos generales de su empresa y las medi-das adoptadas, incluidas las de emergencia. Tal información y formación deberán ser repetidas periódicamente en lo que sea necesario y debida-mente actualizadas. Las instrucciones deberán dirigirse a los trabajadores de tal manera que se garantice su comprensión, debiéndose comprobar tal extremo.

La señalización y la delimitación de espacios son parte de la informa-ción e instrucciones a ofrecer.

Una buena base para la formación es la denominada formación básica de 30 o 50 horas establecida por el Reglamento de los Servicios de Preven-ción. Pero no resulta suficiente ya que debe completarse con la específica del puesto de trabajo y la referencia a los riesgos generales de la empresa.

Los delegados de prevención deberán recibir con cargo a la empresa una formación específica con relación a los riesgos existentes en la empre-


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sa, sus características y organización y las medidas adoptadas con el fin de que puedan ejercer sus funciones debidamente.

En todo caso la información y la formación deberá recibirse en tiempo de trabajo o con las debidas compensaciones y sin coste alguno para los trabajadores. La formación además de constituir un derecho para el traba-jador también le supone a éste la obligación de asistencia o atención con aprovechamiento.

La vigilancia de la salud de cada trabajador se realizará, con cargo a la empresa, de forma periódica y en función de los riesgos a los que pueda estar expuesto en su puesto de trabajo. El sometimiento a esta vigilancia será voluntario por parte del trabajador salvo que de acuerdo a lo estable-cido en la Ley se le obligue a ello.

El objetivo de la vigilancia de la salud es doble: descubrir alguna espe-cial susceptibilidad a determinadas condiciones de trabajo o algunas ca-racterísticas o aspectos personales del trabajador que lo haga más vulnera-ble, con el fin de adoptar las medidas preventivas pertinentes, y verificar su estado de salud con relación a los riesgos existentes con el fin de garan-tizar que está debidamente protegido o, en su caso, tomar a tiempo las me-didas correctoras necesarias.

Ya se ha señalado que las competencias legislativas son exclusivas de las instituciones centrales del Estado y que las relativas a la ejecución de la legislación vigente corresponden a las Administraciones laborales de las Comunidades Autónomas. Con tal fin, a éstas les corresponden las funcio-nes de promoción de la prevención, asesoramiento técnico, vigilancia y control del cumplimiento de la normativa y la sanción, en su caso, de las infracciones.

El Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo INSHT. es el órgano especializado de la Administración General del Estado que tiene como misión el análisis y estudio de las diversas condiciones de trabajo así como la promoción y el apoyo a su mejora, para lo cual ofrece la cola-boración a las Comunidades Autónomas en todos los aspectos relaciona-dos con la prevención incluida la investigación, la divulgación, la forma-ción y la elaboración de guías y códigos de buenas prácticas, así como la colaboración con organismos internacionales y de otros países y la partici-pación en programas relacionados con la prevención. Al mismo tiempo es


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punto focal de la Red Nacional de Seguridad y salud en el Trabajo, que a su vez está integrada en la Red Europea. El acceso a esta Red por internet se puede efectuar a través de la dirección del propio Instituto: http://www.insht.es. Aquí se puede encontrar toda información útil no solo del Institu-to sino también de otras Administraciones y de los numerosos centros y entidades que integran la Red Europea, que se enlaza con organismos in-ternacionales y con centros y entidades relevantes de otros países extra eu-ropeos como Estados Unidos, Canadá, Japón, etc.

A la Inspección de Trabajo y Seguridad Social le corresponde la vigilan-cia y control de la aplicación de la normativa de prevención.

Las Mutuas de Accidentes de Trabajo y Enfermedades Profesionales de la Seguridad Social, además de las funciones de asistencia, prestaciones y rehabilitación por las contingencias de accidente de trabajo y enfermedad profesional, y de la gestión de la incapacidad temporal por enfermedad co-mún y de la posible actuación, mediante la previa concertación, como ser-vicio de prevención de aquellas empresas asociados que lo requieran, pue-den realizar determinadas acciones de carácter preventivo con cargo a las cuotas empresariales satisfechas, fundamentalmente en el asesoramiento e información y acciones de divulgación y promoción de la prevención. Las Mutuas, aunque sujetas al derecho privado, son entidades colaboradoras de la Seguridad Social. Las cuotas por accidentes y enfermedades profesio-nales que se satisfacen a las Mutuas corresponden a la Seguridad Social, que controla su gestión.

La Ley de Prevención establece que la responsabilidad empresarial en estas materias no se verá disminuida por las responsabilidades de los tra-bajadores en el ejercicio de sus funciones, incluidos los del propio servicio de prevención y los delegados de prevención, así como por las actuaciones encomendadas a servicios de prevención ajenos.

El Código Penal establece, en concreto, en el Artículo 316 que

los que con infracción de las normas de prevención de riesgos laborales y

estando legalmente obligados, no faciliten los medios necesarios para que

los trabajadores desempeñen su actividad con las medidas de seguridad e

higiene adecuadas, de forma que pongan así en peligro grave su vida, salud

e integridad física, serán castigados con las penas de prisión de 6 meses a

3 años y multa de 6 a 12 meses.


275

La Ley de Prevención extiende el ámbito del deber empresarial de pre-vención no solo a la propia Ley y a su desarrollo reglamentario si no tam-bién a lo establecido al respecto en los Convenios Colectivos que sean apli-cables y cualquier otra norma jurídica de otro ámbito que contenga disposiciones relacionadas con la seguridad y la salud en el trabajo. Tal es el caso de disposiciones de Seguridad industrial (por ejemplo el Reglamen-to de Baja Tensión), de Seguridad del producto (por ejemplo el Reglamento de Seguridad de las máquinas y el REACH con el Reglamento de Notifica-ción, clasificación, envasado y etiquetado de sustancias peligrosas), de Me-dio Ambiente y Protección Civil como la legislación sobre Accidentes Mayo-res, Seguridad Vial, Legislaciones autonómicas y Ordenanzas municipales como las que atañen a la seguridad contra incendios, reglamentaciones del ámbito sanitario y de educación, etc.

No obstante, la parte más sustancial de las obligaciones empresariales de prevención se encuentra en la Ley de Prevención y en su desarrollo re-glamentario, que fundamentalmente se atiene a la transposición del Dere-cho comunitario de la Unión Europea, conjunto de disposiciones mínimas de seguridad y salud en el trabajo, que cada Estado puede ampliar a partir de las disposiciones contenidas en las correspondientes directivas que en cualquier caso poseen un carácter de mínimos.

El desarrollo reglamentario de la Ley está encabezado por el reglamen-to de los Servicios de Prevención dedicado fundamentalmente a los as-pectos organizativos y de la gestión de la prevención, así como a la acredi-tación de los servicios de prevención ajenos, las entidades auditoras del sistema de prevención de las empresas y las entidades formadoras en ma-teria de prevención.

Existe un número significativo de Reglamentos con disposiciones míni-mas de seguridad y salud, que afectan a los lugares de trabajo en sí, a los equipos de trabajo, a los equipos de protección individual, a la exposición a agentes físicos, químicos y biológicos, a determinados tipos de trabajos como los que utilizan pantallas de visualización de datos y los que entrañan manipulación de cargas pesadas y a sectores cuyas características no per-miten la aplicación de las normas referidas a los locales en general, como es el caso de las obras de construcción, las minas, los buques de pesca, etc.

Para orientar hacia una correcta aplicación de estos Reglamentos y como complemento de las disposiciones correspondientes el Instituto Na-


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cional de Seguridad e Higiene en el Trabajo, por mandato fijado en los pro-pios Reales Decretos, elabora Guías de carácter técnico correspondientes a cada Reglamento, que no siendo vinculantes, indudablemente suponen una referencia prácticamente ineludible a tener en cuenta en la aplicación de lo dispuesto en tales Reglamentos.

CONCLUSIÓN

Es esencial para la mejor marcha de la empresa, con objetivos de compe-titividad, asumir la prevención de riesgos ambientales y laborales, integrán-dola en la política propia de la empresa en la perspectiva de la calidad total.

Para ello se debe actuar preventivamente y tener presente los principios de prevención que son objeto de la siguiente unidad temática, en todas las fases de la actividad empresarial, desde el diseño, proyecto y cualquier otra decisión sobre equipos, herramientas, instalaciones, procesos, métodos y organización del trabajo, hasta la continuada verificación de la eficacia del sistema de prevención, lo que exige un conocimiento profundo de las con-diciones de trabajo y la consiguiente evaluación de los riesgos, junto con el mantenimiento de una adecuada actividad informativa y formativa a todos los niveles y la participación activa de los propios trabajadores.

Tema 11

La atmósfera como materia prima:obtención de gases nobles, nitrógeno y oxígeno

11.1. Atmósfera: Definición y composición

11.2. Características de los gases

11.3. Separación en sus productos básicos

11.3.1. Procesos de separación por vía física11.3.2. Obtención de gases nobles

11.4. Gases comerciales

11.5. Medidas de seguridad en la manipulación de gases

Ejercicios de autoevaluación

279

OBJETIVOS

Se establece como objetivo general conocer la composición de la atmósfera y sus posibilidades de aprovechamiento industrial.

Son objetivos concretos:

Conocer la composición del aire.•

Conocer las posibilidades de separación de sus componentes.•

Analizar los pros y contras del empleo de procesos de separación físicos y • químicos.

Establecer esquemas para la separación de los componentes del aire.•

Conocer las principales aplicaciones industriales de oxígeno y nitrógeno.•

Conocer los posibles usos de los gases nobles en su conjunto.•

Conocer los procesos de obtención de helio y del resto de gases nobles.•

Conocer las medidas de seguridad para el manejo de los gases estudiados.•

RESUMEN

La atmósfera y sus componentes se estudian desde el punto de vista de su aprovechamiento industrial.

Se estudian las posibilidades de obtención de oxígeno, nitrógeno y ga-ses nobles a partir del aire, describiéndose sus procesos industriales y las restricciones de uso de los productos finales obtenidos.

De cara a garantizar la adecuada manipulación de los gases se trasla-dan las especificaciones definidas en las hojas o fichas de seguridad de los productos.


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11.1. ATMÓSFERA: DEFINICIÓN Y COMPOSICIÓN

La atmósfera es la capa de aire que rodea a la Tierra. Se divide en cinco capas: tropósfera, mesósfera, estratósfera, ionósfera y exósfera. Por sus componentes y por la influencia solar, puede disponerse de dos formas de aprovechamiento muy importantes para la producción de energía, como son las energías eólica y solar.

La atmósfera ha sido ya definida en un tema anterior, desde la óptica de la contaminación, por lo que corresponde ahora simplemente recordar que sus componentes principales son nitrógeno, oxígeno y gases nobles, entre los que puede destacarse por su mayor proporción el argón.

La composición media del aire limpio corresponde a los valores indica-dos en la tabla siguiente.

Elemento % v/v

Nitrógeno 78,1

Oxígeno 20,9

Argón 0,9

Neón 15 · 10–4

Helio 5 · 10–4

Criptón 1 · 10–4

Xenón 1 · 10–5

Otros elementos como el hidrógeno también se encuentran en el aire como trazas, mientras el anhídrido carbónico suele estar en órdenes de 300-350 ppm y el vapor de agua en proporciones variables.

Como consecuencia de los procesos de contaminación atmosférica la calidad del aire empeora, pudiendo variar de forma considerable entre zo-nas de fuerte concentración industrial, zonas urbanas y zonas limpias ale-jadas de cualquier foco contaminante fijo o móvil. Es preciso destacar la

LA ATMÓSFERA COMO MATERIA PRIMA: OBTENCIÓN DE GASES NOBLES, NITRÓGENO Y OXÍGENO

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enorme diferencia en cuanto a la forma de medir las concentraciones se-gún hablemos de aprovechamiento industrial, que suele precisarse en tan-tos por ciento, o de contaminación atmosférica, donde unas partes por mi-llón de un compuesto puede suponer un tratamiento obligado para el volumen de aire que lo contiene.

Los términos aire y atmósfera, aun distintos, se confunden en ocasio-nes y para los trabajos de este tema los usamos indistintamente y con igual equivalencia.

11.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS GASES

Uno de los tres estados de la materia es el gaseoso. La característica principal de los gases es su adaptación al recipiente que los contiene ocu-pando totalmente el volumen de los mismos, lo que implica su compresibi-lidad. Las leyes que los regulan pueden resumirse en la conocida como ecuación de los gases perfectos, que indica la constancia de la relación en-tre presión, volumen y temperatura (P · V/T = K). Los gases reales se alejan ligeramente de este comportamiento.

En bastantes aplicaciones industriales aparece el término vapor y con-viene diferenciarlo de gas. Recordar que se define el punto crítico como la temperatura por encima de la cual no puede convertirse el gas en líquido simplemente comprimiendo el gas. Las curvas isotermas de los diagramas P = f(V) facilitan la comprensión del comportamiento líquido-vapor de un elemento o compuesto dado. En este tipo de gráficos las curvas indican las relaciones de temperatura y volumen al mantener la presión constante. Igualmente pueden verse las variaciones de presión y temperatura al fijar el volumen. Estos fenómenos resultan imprescindibles de conocer pues, entre otras aplicaciones, justifican la necesidad de llenado parcial de todo reci-piente conteniendo gas a presión.

La difusibilidad de los gases, es decir, la tendencia a ocupar el volu-men del recipiente aunque en el existan otros gases, resulta también im-portantísima para evaluar las posibilidades de utilización de mezclas y de separación de sus componentes. Junto a la difusibilidad debería contem-plarse la densidad y en este sentido es muy empleada la densidad relativa frente al aire, para la toma de medidas de seguridad en caso de escapes accidentales.


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Para estudiar el poder comburente del aire, realmente del oxígeno como es sobradamente conocido, debemos recordar que la combustión es la reacción entre un combustible y un comburente y que para que esta reacción se produzca es necesario que la mezcla entre ambos cumpla de-terminadas condiciones. Entre estas condiciones es fundamental la pro-porción de comburente y de combustible, pues para que reaccionen es preciso que la proporción se corresponda con determinados valores cono-cido como límites superior (LSE) e inferior (LIE) de explosión. Resulta también de interés conocer, fundamentalmente para sólidos, el índice de oxígeno, esto es el contenido mínimo de oxígeno necesario para mantener una combustión.

Los gases combustibles, tratados en otro tema, comenzaron a emplear-se hace siglo y medio, habiendo desbancado en la actualidad a los combus-tibles sólidos y líquidos por su fácil transporte, su fácil regulación, difusión y mezclabilidad con el comburente y ausencia de cenizas.

11.3. SEPARACIÓN EN SUS PRODUCTOS BÁSICOS

Al tratar de estudiar las posibilidades de aprovechamiento industrial del aire, independientemente de su empleo ya citado como comburente, se plantean dos opciones, separar sus componentes o recombinarlos.

Puesto que las mezclas de oxígeno y nitrógeno (aire) no reaccionan en las condiciones ambientales se ha intentado forzar su reacción para obte-ner óxidos de nitrógeno y por posterior absorción en agua formar ácido ní-trico, el cual por neutralización daría nitratos. Esta sería una forma barata de fijar el nitrógeno del aire para su uso como fertilizante

Sin embargo las condiciones exigidas para que se dé la reacción N2 + O2 → 2NO son difícilmente alcanzables por el enorme consumo ener-gético, su bajo rendimiento y por las velocidades de formación y descompo-sición del NO, que exige romper el equilibrio por enfriamiento instantáneo del NO formado. La mejora de ésta reacción para alcanzar rendimientos que originen productos competitivos con los obtenidos por otras vías supo-ne un verdadero reto de futuro para la ingeniería.

En la actualidad la obtención de nitratos y fertilizantes nitrogenados por reacción de los componentes del aire no es competitiva, aunque sea


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técnicamente posible. De hecho se forman óxidos de nitrógeno, a nivel de ppm, en todos los procesos de combustión, originando múltiples proble-mas ambientales, aunque en algún caso se ha buscado aprovechar los NOx de los gases de combustión de grandes centrales térmicas.

Anulada, de momento, esta posibilidad de aprovechamiento sería preci-so analizar otra alternativa como es la separación de oxígeno, nitrógeno y gases nobles. Para separarlos existen dos vías, una química y otra física. Del conocimiento de las propiedades de los componentes citados ya puede intuirse las dificultades que se pueden encontrar al seguir la vía química. El oxígeno muy reactivo, el nitrógeno reactivo solo bajo ciertas condicio-nes y los gases nobles prácticamente inertes.

Es decir por vía química se puede retener con distintos compuestos el oxígeno separándolo así del resto, pero el procedimiento solo resulta ren-table en ocasiones muy concretas, bien sea por el valor del producto ob-tenido o por el aprovechamiento del gas residual de la reacción. En gene-ral este tipo de procesos carecen de viabilidad en estas fechas, a nivel industrial.

Queda por tanto como única alternativa real y competitiva para el apro-vechamiento de los componentes del aire la separación de los mismos ba-sada en alguna propiedad física.

11.3.1. Procesos de separación por vía física

Analizando las propiedades físicas de los componentes del aire se conclu-yó que la más adecuada para emplearla como base de la separación deseada era la temperatura de ebullición (78 ºK y 90 ºK para nitrógeno y oxígeno res-pectivamente). Las técnicas de filtrado y centrifugación, comprobadas con buenos resultados a escala de laboratorio, no han podido consolidarse y pro-mover instalaciones industriales.

La separación de oxígeno y nitrógeno por simple enfriamiento con un refrigerante, para licuar el aire, no resulta viable y por ello hubo que adop-tar otra forma de trabajo, como la que puede deducirse del análisis del diagrama entropía temperatura o diagrama de Hausen. En él puede obser-varse que para licuar el aire es preciso operar por etapas, primero compri-miendo el aire, luego enfriándolo mediante intercambiadores de calor, a


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continuación expandir para conseguir un salto térmico importante que per-mita su licuación y posteriormente pasar a la etapa de destilación o de se-paración final.

Aire

CompresorIntercambiador

N2

O2

1

X

Figura 11.1. Esquema del proceso de separación

El aprovechamiento de todas las corrientes frías que se producen en la planta es fundamental para conseguir un adecuado rendimiento. En la co-lumna de destilación (1) se establece un gradiente de temperatura entre ca-beza donde saldría el producto más volátil y colas, que recogerán el menos volátil, oxígeno.

Los procesos empleados industrialmente son los conocidos como Linde con doble columna y el proceso de Claude.

11.3.2. Obtención de gases nobles

Los gases nobles alcanzarán su máxima concentración en la columna en función de su temperatura de ebullición, 87,5 ºK para el argón, que po-dría extraerse indistintamente con oxígeno o nitrógeno, o bien por salida a la altura de la columna que corresponda a esa temperatura.

Los componentes más volátiles que el nitrógeno, He y Ne, saldrán de la columna junto a él y para su separación son precisas nuevas destilaciones.

El Kr y Xe (122 ºK y 166 ºK respectivamente) se obtendrían con la co-rriente de colas y se precisarían nuevas destilaciones en columnas adicio-nales para su separación.

El helio es el segundo elemento más abundante en el Universo después del hidrógeno pero en la Tierra es muy escaso, siendo sus principales fuen-


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tes la atmósfera, como se ha comentado, y los yacimientos de gas natural (0,5-0,8 %).

Al poseer los componentes del gas natural puntos de ebullición muy alejados del helio, puede separarse de aquellos sin tener que destilar, em-pleando simplemente un conjunto de condensadores y evaporadores dis-puestos en serie y comprimiendo y expandiendo el gas.

Las aplicaciones principales del He son, como líquido en procesos de refrigeración a bajas temperaturas y en aplicaciones criogénicas. En forma gaseosa se emplea como gas inerte en soldaduras, en aplicaciones de láser, para atmósferas artificiales en buceo, como gas de globos y dirigibles y como agente presurizante en la industria aeroespacial.

Aparte de los gases nobles comentados existen otros gases inertes de in-terés industrial como son el ya referido nitrógeno y el anhídrido carbónico. Otros medios inertes más complejos son el vapor de agua y el conocido como polvo químico seco (bicarbonato sódico).

La creación de atmosferas inertes es fundamental en muchas opera-ciones industriales, como el mantenimiento de depósitos de combusti-bles, hornos, etc., y en general consiste en evitar la reacción del oxígeno con cualquier otro compuesto en el medio a proteger. Por su precio ase-quible el gas más empleado para conseguir la inertización de una zona es nitrógeno.

11.4. GASES COMERCIALES

Una de las clasificaciones seguidas en las aplicaciones industriales de los gases los denomina como combustibles, comburentes, inertes, corrosi-vos y tóxicos, y en base a su pureza como purificados, puros y extrapuros.

Los gases citados pueden mezclarse, si no son incompatibles entre sí, manteniéndolos fuera de las proporciones de riesgo fijadas por sus límites de explosividad. Para las mezclas se pide siempre que sean homogéneas, estables y tengan la calidad fijada en sus especificaciones.

Estos gases se precisan en cantidades no muy elevadas y por ello fuera de los transportes en grandes cisternas, se venden en bombonas metálicas de volumen variable, construidas con aceros especiales. Las bombonas o


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botellas son controladas de acuerdo con la normativa al respecto, por la administración competente.

Las botellas constan de cuerpo, ojiva y casquete, siendo obligado es-tampar en la ojiva la fecha de prueba o timbrado. Además cada botella ha de llevar un distintivo en colores establecidos al efecto que permite cono-cer el gas contenido.

Siempre hay que extremar las precauciones de seguridad al trabajar con gases, debiendo ser especialmente cuidadosos en el manejo de acetile-no y de hidrógeno.

11.5. MEDIDAS DE SEGURIDAD EN LA MANIPULACIÓN DE GASES

Las medidas de seguridad en gases consideramos interesante exponer-las mediante las obligadas fichas de seguridad inherentes a cada elemento o producto. Por ello se exponen, como ejemplo, las de algunos de los prin-cipales productos referidos con anterioridad.


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FICHAS DE SEGURIDAD QUÍMICA

Helio

He (licuado, enfriado). Masa atómica: 4.003 N.º ICSC 0603N.º CAS 7440-59-7N.º RTECS MH 6520000N.º UN 1963

Tipos de peligro / Exposición

Peligros / Síntomas Agudos

PrevenciónPrimeros Auxilios /

Lucha contra Incendios

INCENDIO No combustible. El calenta-miento intenso puede pro-ducir aumento de la presión con riesgo de estallido.

En caso de incendio en el entorno: están permitidos to-dos los agentes extintores.

EXPLOSIÓN En caso de incendio: mante-ner fría la botella rociando con agua.

EXPOSICIÓN

INHALACIÓN Voz aguda. Vértigo. Embo-tamiento. Dolor de cabeza. Asfixia.

Ventilación. Aire limpio, reposo. Respi-ración artificial si estuviera indicada. Proporcionar asis-tencia médica.

PIEL En contacto con líquido: congelación.

Guantes aislan-tes del frío. Traje de protección.

En caso de congelación: acla-rar con agua abundante, no quitar la ropa. Proporcionar asistencia médica.

OJOS En contacto con líquido: congelación.

Gafas ajustadas de seguridad, o pantalla facial.

Enjuagar con agua abundan-te durante varios minutos (quitar las lentes de contacto si puede hacerse con facili-dad, después de proporcio-nar asistencia médica.

INGESTIÓN


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Derrames y Fugas Almacenamiento Envasado y Etiquetado

Ventilar. No verter nunca chorros de agua sobre el líquido. Protec-ción personal adicional: equipo autónomo de respiración).

A prueba de incendio si está en local cerrado. Mantener en lo-cal bien ventilado.

UN (transporte): Ver pictogra-ma en cabecera.

Clasificación de peligros UN:2.2

CE: No clasificado

DATOS

IMPORTANTES

ESTADO FÍSICO:

Aspecto:Gas refrigerado, licuado, inodoro, incoloro.

VÍAS DE EXPOSICIÓN:

La sustancia se puede absorber por inhala-ción.

PELIGROS FÍSICOS:

El gas es más ligero que el aire.RIESGO DE INHALACIÓN:

Al producirse pérdidas en zonas confinadas este gas puede originar asfixia por disminu-ción del contenido de oxígeno del aire.

LIMITES DE EXPOSICIÓN:

TLV: asfixiante simple. (ACGIH 2003).MAK no establecido.

EFECTOS DE EXPOSICIÓN DE CORTA DU-

RACIÓN:

El líquido puede producir congelación. As-fixiante simple.

PROPIEDADES

FÍSICASPunto de ebullición: –268,9 ºCPunto de fusión: –272,2 ºC

Densidad relativa de vapor (aire = 1): 0.14Solubilidad en agua, ml/100ml a 20 ºC: 0.86

DATOS

AMBIENTALES

NOTAS

Número NU: 1046 Helio, comprimido. Altas concentraciones en el aire producen una deficiencia de oxígeno con riesgo de pérdida de conocimiento o muerte. Comprobar el contenido de oxígeno antes de entrar en la zona.

Ficha de emergencia de transporte (Transport Emergency Card): TEC (R)-20S1963


289


Argón

Ar (licuado, enfriado). Masa atómica: 39.95 N.º ICSC 0154N.º CAS 7440-37-1N.º RTECS CF 2300000N.º UN 1951






En caso de incendio en el entorno: están permitidos todos los agentes extintores.


EXPOSICIÓN

INHALACIÓN Vértigo. Embotamiento. Do-lor de cabeza. Asfixia.

Ventilación. Aire limpio, reposo. Respi-ración artificial si estuviera indicada. Proporcionar asis-tencia médica.

PIEL En contacto con líquido: congelación.

Guantes aislan-tes del frío. Traje de protección.

En caso de congelación: acla-rar con agua abundante, no quitar la ropa. Proporcionar asistencia médica.

OJOS En contacto con líquido: congelación.

Gafas ajustadas de seguridad, o pantalla facial.

Enjuagar con agua abundan-te durante varios minutos (quitar las lentes de contacto si puede hacerse con facili-dad, después de proporcio-nar asistencia médica.

INGESTIÓN


290


Ventilar. No verter nunca chorros de agua sobre el líquido. Protec-ción personal adicional: equipo autónomo de respiración).


UN (transporte): Ver pictogra-ma en cabecera.

Clasificación de peligros UN:2.2

CE: No clasificado

DATOS

IMPORTANTES

ESTADO FÍSICO:

Aspecto:Gas licuado inodoro, incoloro.

VÍAS DE EXPOSICIÓN:

La sustancia se puede absorber por inhala-ción.

PELIGROS FÍSICOS:

El gas es más denso que el aire y puede acumularse en las zonas más bajas produciendo una defi-ciencia de oxígeno.

RIESGO DE INHALACIÓN:

Al producirse pérdidas en zonas confinadas este gas puede originar asfixia por disminu-ción del contenido de oxígeno del aire.




RACIÓN:

El líquido puede producir congelación.

PROPIEDADES


Densidad relativa de vapor (aire = 1): 1.66Coeficiente de reparto octanol/agua como log Pow: 0.94

DATOS

AMBIENTALES

NOTAS

Otro número NU: 1006 Argón, comprimido. Altas concentraciones en el aire producen una deficiencia de oxígeno con riesgo de pérdida de conocimiento o muerte. Comprobar el contenido de oxígeno antes de entrar en la zona.

Ficha de emergencia de transporte (Transport Emergency Card): TEC (R)-20S1951


291


Neón

Ne. Masa atómica: 20.2 N.º ICSC 0627N.º CAS 7440-01-9N.º RTECS QP 4450000N.º NU 1965






En caso de incendio en el en-torno: usar medio de extin-ción adecuado.


EXPOSICIÓN

INHALACIÓN Vértigo. Embotamiento. Do-lor de cabeza. Asfixia.

Ventilación. Aire limpio, reposo. Respira-ción artificial si estuviera in-dicada. Proporcionar asisten-cia médica si se siente mal.

PIEL

OJOS

INGESTIÓN


292


Ventilar. Protección personal adicional: equipo autónomo de respiración.


Clasificación GHS

Atención contienen gas a presión; puede explota si se calienta.

Clasificación de peligros NU:2.2

DATOS

IMPORTANTES

ESTADO FÍSICO:

Aspecto:Gas comprimido inodoro, incoloro.

PELIGROS FÍSICOS:

El gas es más ligero que el aire.RIESGO DE INHALACIÓN:Al producirse pérdidas en zonas confinadas este gas puede originar asfixia por disminu-ción del contenido de oxígeno del aire.




RACIÓN:

Asfixia.

PROPIEDADES


Densidad relativa de vapor (aire = 1): 0.69Solubilidad en agua muy escasa

DATOS

AMBIENTALES

NOTAS

Altas concentraciones en el aire producen una deficiencia de oxígeno con riesgo de pérdida de conoci-miento o muerte. Comprobar el contenido de oxígeno antes de entrar en la zona.

Otro número UN: 1913, Neón, líquido refrigerado, clasificación de peligro: 2.2

Ficha de emergencia de transporte (Transport Emergency Card): TEC (R)-20G1A


293

EJERCICIOS DE AUTOEVALUACIÓN

1. Indicar las posibilidades de aprovechamiento industrial del aire.

2. Proponga un esquema o diagrama de bloques sobre la obtención de ni-trógeno a partir del aire.

3. Justificar las posibilidades de obtención de oxígeno por vía química.

4. Refiera los aspectos más llamativos que considere al analizar la ficha de seguridad del helio.

5. Exponga razonadamente la posibilidad de emplear el aire como fuente para la fabricación de fertilizantes.

6. Comentar las formas de identificar si una botella de óxido de etileno cumple la normativa de seguridad.

7. En una cocina industrial que trabaja con gas natural las rejillas de ven-tilación fijadas por seguridad se encuentran en la parte superior de la pared, mientras en otra que emplea botellas de butano como combusti-ble las rejillas se hallan situadas en la parte inferior de la pared. Justifi-car si la ubicación de las rejillas es adecuada para cada caso.

Tema 12

La hidrosfera como materia prima: obtención de agua y obtención de sales

12.1. Hidrosfera: Definición y composición

12.2. Composición y características del agua dulce y salada

12.3. Agua potable de consumo público

12.4. Plantas potabilizadoras

12.5. Plantas desalinizadoras

12.6. Obtención de sales

12.7. Obtención de bromo y de yodo

12.7.1. Bromo12.7.2. Yodo

12.8. Electrolisis del agua: producción de hidrógeno


297

OBJETIVOS

Como objetivo base se plantea conocer las aplicaciones de los diferentes tipos de aguas y sus posibilidades de aprovechamiento químico industrial, pudiendo concretarse según:

Conocer la composición de la hidrosfera y la disponibilidad de agua.•

Conocer la composición media del agua dulce y los parámetros principales • que definen su calidad.

Conocer los procesos industriales que permiten transformar un agua natu-• ral en un agua de consumo público.

Conocer las distintas aplicaciones industriales del agua.•

Conocer los tratamientos necesarios para la obtención de agua a partir de • aguas salobres.

Conocer los procesos industriales empleados en la separación de las sales • contenidas en el agua.

RESUMEN

Se estudia la hidrosfera como fuente de materias primas básicas en la alimentación, agua y sal común, y en la industria.

Expuesta la composición de las aguas se describen los múltiples usos de la misma resaltando su empleo en la alimentación, como agua potable, y su característica de disolvente universal y agente de transmisión de calor.

Se estudia la composición exigida por la legislación para las aguas po-tables de consumo público y se describen algunos de los parámetros referi-dos en la normativa.


298

Conocida la composición de las aguas y sus condiciones de uso se estu-dian los tratamientos necesarios para cumplir las normas de uso en lo que se conoce como plantas potabilizadoras y plantas desalinizadoras.

Las sales presentes en el agua son también objeto de estudio, describien-do sus formas de obtención y los productos que de ellas pueden derivarse.

El cloruro sódico como sal principal por su importancia industrial como fuente de nuevos productos se estudia como parte específica.

12.1. HIDROSFERA: DEFINICIÓN Y COMPOSICIÓN

El término hidrosfera procede de los vocablos griegos hydros (agua) y sphaira (esfera). Es considerada como la capa de la Tierra, entre la atmós-fera y la litosfera, formada por agua, ya sea en estado sólido, líquido o ga-seoso, y se sitúa sobre la corteza terrestre, cubriendo las tres cuartas partes (un 71%) de la superficie de la Tierra.

El agua que forma la hidrosfera se presenta en diferentes estados:

Los océanos• , con una profundidad típica de 3.000 a 5.000 m.

Los glaciares• , que cubren parte de la superficie continental. Sobre todo los dos casquetes glaciares de Groenlandia y la Antártida, pero también glaciares de montaña, de menor extensión y espesor, en to-das las latitudes.

La escorrentía superficial• , un sistema formado por ríos y lagos.

El agua subterránea• , que se encuentra embebida en rocas porosas de manera más o menos universal.

En la atmósfera• en forma de nubes y vapor de agua.

En la biosfera• , formando parte de plantas, seres humanos y animales.

El volumen total de agua que hay en la Tierra es de 1.400 millones de kilómetros cúbicos, la mayor parte en estado líquido, mientras que en esta-do sólido solo hay 29 millones de kilómetros cúbicos. Este volumen de agua está repartido en agua salada (océanos y mares), se llama así por su alto contenido de sal común (NaCl), y en agua dulce (ríos, lagos, hielos y aguas subterráneas), con menor contenido de sales.

LA HIDROSFERA COMO MATERIA PRIMA: OBTENCIÓN DE AGUA Y OBTENCIÓN DE SALES

299

El agua dulce que nosotros utilizamos sólo representa una pequeña parte del total del agua del planeta. La mayoría es agua salada de los ma-res, los cuales cubren aproximadamente tres cuartas partes de la superficie terrestre, con una profundidad promedio de 3,5 km, lo que representa el 97% del total de agua de nuestro planeta.

Tabla 12.1. Distribución del agua

%

Océanos y Mares 97,5

Casquetes polares 1,72

Subterránea 0,75

Superficial y Atmosférica 0,01

Permafrost 0,02

GlaciaresAguas subterráneasPermafrostAguas superficiales y en la atmósfera

Lagos de agua dulceAtmósferaRíos

Humedad del sueloOtras humedadesPlantas y animales

0,80%1,60%8,50%

9,50%

12%

Océanos97,50%

Agua dulce2,50%

30,10%

0,40%0,80%

68,70%

67,40%

Figura 12.1. Gráficas de distribución de agua.


300

De los datos de la tabla 12.1 se desprende que evidentemente las aguas marinas constituyen la reserva futura más importante para los usos co-rrientes del agua (consumo humano, riego, industria), debido a su dominio.

En los casquetes polares se almacena el mayor volumen de agua dulce existente en la hidrosfera, pero se ubican a distancias considerables de los sitios más densamente poblados, lo que limita su aprovechamiento.

De los 7 millones de km3 que constituyen el volumen de agua subterrá-nea almacenada hasta 1.000 m de profundidad, sólo una fracción es pota-ble y ésta no siempre se ubica en o cerca de los centros de mayor demanda.

Si bien el volumen almacenado en los lagos y en los ríos del mundo sólo alcanza al 0,01% del total, algunos ríos tienen caudales sorprendentes con los que sería posible abastecer a la población mundial (6.500 millo-nes). Sin embargo, el agua superficial está más expuesta a la contamina-ción y generalmente es mucho más cara que la subterránea por el trata-miento que necesita para su potabilización.

Hoy en día el agua además de ser imprescindible por constituir la ma-yor parte de los componentes de los seres vivos, ser alimento fundamen-tal del hombre, animales y plantas y ser fuente de vida de los animales acuáticos, es fundamental para el hombre ya que es empleada para múl-tiples usos:

El doméstico para el aseo y limpieza. •

En la agricultura en forma de regadíos. •

En la industria, como:•

Transmisor de calor. —

En procesamiento de alimentos. —

Como materia prima. —

En aplicaciones químicas . —

Como disolvente. •

Como fuente de energía para el funcionamiento de las turbinas que • van a generar corriente eléctrica.

Otros usos: extintor de fuego, deportes y diversión, etc. •


301

Se convierte pues en una sustancia indispensable para los seres vivos, así como un recurso fundamental en los procesos productivos, de ahí la importancia de la conservación de la hidrosfera y del aprovechamiento de sus diferentes estados.

Se estima que aproximadamente el 70% del agua dulce es usada para agricultura. El agua en la industria absorbe una media del 20% del consu-mo mundial. El consumo doméstico absorbe el 10% restante.

A pesar de que en el planeta tierra existe suficiente agua dulce para cu-brir las necesidades de la población mundial, los recursos hídricos no es-tán equitativamente distribuidos y son gestionados con frecuencia de ma-nera inadecuada.

De hecho la disponibilidad de agua dulce de buena calidad se ha redu-cido de manera considerable debido a la contaminación producida por los desechos generados por las actividades humanas como la industria y la agricultura.

Debido a esto, según la UNESCO (22 de marzo de 2009 Día Mun-dial del Agua 2009: Aguas transfronterizas), para el año 2025 alrededor de 1.800 millones de personas vivirán en países o regiones con una dra-mática escasez de agua y según datos referenciales el limitado acceso al agua potable de la población mundial en la actualidad llega a 1.100 mi-llones; y, carecen de infraestructura de saneamiento 2 de cada 5 personas en el planeta.

12.2. COMPOSICIÓN Y CARACTERÍSTICAS DEL AGUA DULCE Y SALADA

Los cuerpos de agua naturales contienen iones y elementos originados en procesos de mineralización y desgaste de las rocas que forman la corte-za terrestre y de emanaciones del manto terrestre, a través de la actividad volcánica.

En función de la cantidad de sales contenidas en el agua podemos dis-tinguir entre agua salada y agua dulce. Así el agua de mar está compuesta en promedio de un 96,52% de agua y un 3,49% de substancias disueltas (mayormente sales), mientras que en el agua dulce la cantidad de sales es mucho menor, como podemos ver en la tabla 12.2.


302

Tabla 12.2. Composición de iones para cuerpos de agua dulce y agua salada

IonesAgua Dulce

(mg/L)Agua de Mar

(mg/L)

CO2-3 58,4 140

SO2-4 12,2 271

Cl– 7,8 19.440

Ca++ 15,0 410

Mg++ 4,1 1.300

Na+ 6,3 10.810

K+ 2,3 390

TOTAL 106,1 32.761

En los océanos se han encontrado al menos 77 elementos, siendo los más abundantes el sodio y el cloro que, en su forma sólida, se combinan para for-mar el cloruro de sodio o sal común y, junto con el magnesio, el calcio y el po-tasio, constituyen cerca del 90% de los elementos disueltos en el agua de mar.

Tabla 12.3. Composición media del agua de mar

(para una salinidad del 35‰)

Elemento ppm

Sodio 10.800

Cloro 19.400

Magnesio 1.290

Azufre 904

Potasio 392

Calcio 411

Bromo 67,3

Hay elementos que son minoritarios en el agua como pueden ser el hie-rro y el manganeso, pero que en ciertas condiciones pueden llegar a con-centraciones altísimas en regiones hidrotermales. Y sustancias que tam-


303

bién son minoritarias en el total de la salinidad, pero resultan importantes desde el punto de vista ecológico, como son los nitratos y los fosfatos.

El agua de mar también contiene pequeñas cantidades de gases disuel-tos (nitrógeno, oxígeno y dióxido de carbono), encontrándose saturada con gases atmosféricos en su superficie.

En el agua de mar la cantidad de sales minerales puede variar de un lu-gar a otro, sin embargo la proporción entre los diferentes elementos que se encuentran en disolución es bastante constante.

Por el contrario hay una variación significativa de un cuerpo de agua dulce a otro, como resultado de diferencias en las condiciones climáticas, geológicas, topográficas, la actividad biológica y la situación temporal del momento seleccionado para hacer el análisis.

Las propiedades fisicoquímicas más destacadas del agua son las si-guientes:

Es insípida e inodora en condiciones normales de presión y tempe- 1. ratura. Aunque el color puede variar según su estado (líquido, sóli-do, vapor).

Bloquea ligeramente la radiación solar UV fuerte. 2.

Posee un elevado índice de tensión superficial, debido a la electro- 3. negatividad superior del oxígeno respecto a la del hidrógeno.

Presenta capilaridad. 4.

Su punto de ebullición a nivel del mar es de 100 ºC. 5.

Es un disolvente muy potente que afecta a muchos tipos de sustan- 6. cias distintas.

Es miscible con muchos líquidos y en cualquier proporción. El va- 7. por de agua es miscible completamente con el aire.

El agua dulce tiene una conductividad eléctrica relativamente baja, 8. pero se incrementa con la presencia de material iónico (como NaCl).

Tiene el segundo índice más alto de capacidad calorífica específica 9. y una elevada entalpía de vaporización.

La densidad del agua líquida es muy estable y varía poco con la 10. temperatura y la presión. (A presión normal la densidad mínima se alcanza a 100 ºC y es de 0,958 kg/L y al disminuir la temperatura aumenta la densidad hasta un máximo de 1 kg/L a 3,8 ºC).


304

Puede descomponerse en hidrógeno y oxígeno mediante electrolisis.11.

No es una fuente de energía eficaz.12.

La presencia de sales en el agua modifica algunos comportamientos, por lo que algunas propiedades del agua salada varían respecto a las del agua dulce.

Salinidad: es la concentración total de componentes que contiene el agua. Se expresa en tanto por mil (‰) y nos permite conocer el tipo de agua tal y como se puede ver en la tabla 12.4.

Tabla 12.4. Clasificación cuerpos de agua en función de la salinidad

Salinidad (%) Tipo de agua

0 - 0,5 Agua dulce

0,5 - 3,0 Agua salobre oligohalina

3,0 - 10 Agua salobre mesohalina

10 - 17 Agua salobre polihalina

17 - 30 Agua de mar oligohalina

30 - 34 Agua de mar mesohalina

34 - 38 Agua de mar polihalina

38 - 150 Salmuera

> 150 Hipersalina

Conductividad eléctrica. Es elevada debido a la polaridad del agua y la abundancia de iones disueltos. Varía con la temperatura y la salinidad, a mayor salinidad mayor conductividad.

Densidad. El agua de mar es significativamente más densa que el agua dulce, debido a que las sales disueltas incrementan la densidad del agua.

Para un agua salada de 3,5% de sales disueltas, la densidad es de 1,02819 kg/L a los –2 ºC, 1,02811 a los 0 ºC, 1,02778 a los 4 ºC, etc.

Alcalinidad. Es ligeramente alcalina, y el valor del pH está entre 7,5 y 8,4. Varía en función de la temperatura, de la salinidad y de la presión.


305

Gases disueltos. El aumento tanto de temperatura como de salinidad re-ducen la solubilidad de gases. En términos generales, en el agua de mar se registra una reducción de un 20% en los valores de saturación de gases di-sueltos, en comparación con los valores de saturación que se observan para el agua destilada. En aguas oceánicas superficiales bien mezcladas la com-posición típica de gases disueltos incluye un 64% de N2, un 34% de O2 y un 1,8% de CO2.

Contenido en sílice. Se mide en mg de SiO2 por litro de agua. En general las aguas más dulces son las más ricas en sílice.

Dureza: es proporcional al número de átomos de calcio y de magnesio que contiene.

Se pueden distinguir diferentes tipos de dureza:

Dureza total: referida al conjunto de sales de calcio y magnesio•

Dureza permanente: medida después de hervir, de forma que el anhí-• drido carbónico disuelto queda retenido y el bicarbonato cálcico so-luble se transforma en carbonato prácticamente insoluble

Dureza temporal, debida al bicarbonato cálcico y es la diferencia en-• tre la dureza total y la permanente.

Las aguas con una dureza total inferior a 50 p.p.m. son consideradas como blandas.

12.3. AGUA POTABLE DE CONSUMO PÚBLICO

El agua es un derecho fundamental, según el Comité de Derechos Eco-nómicos, Sociales y Culturales de las Naciones Unidas: «El derecho huma-no al agua otorga el derecho a todos al agua suficiente, segura, aceptable, físicamente accesible y asequible para uso personal y doméstico».

Las aguas, por su grado de pureza, se clasifican en:

Naturales•

Minerales•

Potables•

Destiladas•

Duras•


306

El agua potable o agua de consumo humano es aquella que podemos con-sumir o beber sin que exista peligro para nuestra salud. Según el Real Decreto 140/2003, un agua de consumo humano será salubre y limpia cuando no con-tenga ningún tipo de microorganismo, parásito o sustancia, en una cantidad o concentración que pueda suponer un riesgo para la salud humana, y cum-pla con los requisitos especificados en las partes A y B del anexo I del mismo.

Estos requisitos especificados por el RD 140/2003 están adaptados a los valores máximos y mínimos que establece la Unión Europea en la normati-va 98/83/EU para el contenido en minerales, diferentes iones como cloru-ros, nitratos, nitritos, amonio, calcio, magnesio, fosfato, arsénico, entre otros, además de los gérmenes patógenos.

Con el objeto de determinar si el agua destinada al consumo humano es conforme o no a estos valores paramétricos, se debe realizar de forma periódica un control de comprobación, el cual facilita información sobre la calidad organoléptica y microbiológica del agua destinada al consumo humano, así como información sobre la eficacia del tratamiento aplicado al agua potable (particularmente la desinfección).

El control se puede realizar mediante un análisis mínimo o un análisis normal. Y su frecuencia depende del tamaño de la población abastecida, siguiéndose los criterios de la siguiente tabla:

Tabla 12.5. Periodicidad de análisis del agua potable

Población abastecida (Habitantes)

Intervalo recomendado entre tomas sucesivas*

Número mínimo de muestras / año

Hasta 2.000 Un mes 12

2000-5000 Un mes 12

De 5.000 a 10.000 Una quincena 24

De 10.000 a 50.000 Una semana 48

De 50.000 a 100.000 Tres días 120

De 100.000 a 150.000 Un día 360

De 150.000 a 300.000 Un día 360

De 300.000 a 500.000 Un día 360

De 500.000 a 1.000.000 Un día 720

Más de 1.000.000 Un día 12 por cada 10.000 habitantes


307

El control normal se efectuará sobre los siguientes parámetros:

Tabla 12.6. Parámetros a medir en un control normal

Parámetro Valor paramétrico

Aluminio 200 μg/l

Amonio 0,50 mg/l

Color 15 mg/l Pt/Co

Conductividad 2500 μS cm-1 a 20 °C

Clostridium perfringens (incluidas las esporas) 0 UFC En 100 ml

Escherichia coli (E. coli) 0 UFC En 100 ml

Concentración de iones hidrógeno 6,5 ≤ pH ≤ 9,5

Hierro 200 μg/l

Nitrito 0,50 mg/l

Olor 3 a 25 °C Índice de dilución

Pseudomonas aeruginosa 0/250 ml

Sabor 3 a 25 °C Índice de dilución

Recuento de colonias a 22 °C y 37 °C Sin cambios anómalos

Bacterias coliformes 0 UFC En 100 ml

Turbidez 5 UNF

El índice más utilizado para determinar si un agua está contaminada o no es la demanda química de oxígeno.

La demanda química de oxígeno o DQO es la cantidad de oxígeno con-sumido por las materias oxidables existentes en el agua en unas condicio-nes determinadas, cualquiera que sea su origen, orgánico o mineral.

Las aguas de consumo humano según la legislación española tienen va-lor máximo de DQO de 5 mg de O2/L.

El procedimiento para su determinación se basa en la oxidación de la materia oxidable, utilizando dicromato potásico como oxidante en presen-cia de ácido sulfúrico, siguiendo la siguiente reacción:

2K2Cr2O7 + 8H2SO4 → 2Cr2(SO4)3 + 2K2SO4 + 8H2O + 3O2


308

En función del método seleccionado para el análisis, una determinada cantidad de disolución acuosa se calienta el tiempo requerido a su corres-pondiente temperatura en función del test escogido. El oxígeno se calcula en función del oxidante consumido, bien calculando el dicromato sobrante o por espectrofotometría.

La demanda química de oxígeno se calcula a partir de la diferencia en-tre el dicromato añadido inicialmente y el dicromato encontrado tras la oxidación.

DQO (mg/L) =

8000 · c · (V2 – V1)

V0

Donde

V• 0 es el volumen, en mililitros, de la porción de ensayo antes de la di-lución.

V• 1 es el volumen, en mililitros, de sulfato de hierro (II) y amonio uti-lizado en la valoración del blanco.

V• 2 es el volumen, en mililitros, de sulfato de hierro (II) y amonio uti-lizado en la valoración de la porción de ensayo.

8000 es la masa molar, en miligramos por litro, de ½ de O• 2.

c• es la concentración de la solución de sulfato de hierro (II) y amo-nio, en moles por litro.

Es responsabilidad de los gobiernos municipales asegurar que el agua suministrada a través de cualquier red de distribución, cisterna o depósito móvil en su ámbito territorial sea apta para el consumo en el punto de en-trega al consumidor. Además de verificar que las instalaciones y procesos de captación, conducción, tratamiento y distribución cumplan con lo exi-gido por la ley vigente.

Hay algunas sustancias que pueden ser peligrosas en el agua potable:

Arsénico.• Puede ser el resultado de la disolución del mineral presente en el suelo por donde fluye el agua antes de su captación para uso humano, por contaminación industrial o por pesticidas.

Cadmio.• Presente a causa de la contaminación industrial o por el de-terioro de las tuberías galvanizadas.


309

Cromo• . Su presencia puede producirse por desechos de industrias que utilizan sales de cromo, o como efecto del control de la corrosión de los equipos.

Nitratos y nitritos.• Por descomposiciones orgánicas.

Zinc• . Puede deberse al deterioro de las tuberías de hierro galvanizado y a la pérdida del zinc del latón o a la contaminación con agua de de-sechos industriales.

12.4. PLANTAS POTABILIZADORAS

El agua empleada para el consumo humano tiene diferentes proceden-cias como son:

Los ríos.•

Las aguas subterráneas que se extraen a través de pozos.•

Pantanos y embalses.•

GlaciaresAguas subterráneasPermafrostAguas superficiales y en la atmósfera

30,10%

0,40%0,80%

68,70%

Figura 12.2. Procedencia del agua potable.

Para conseguir que el agua sea potable debe pasar por una planta de potabilización, donde se le quitan las impurezas y se destruyen los micro-organismos que lleve. A este proceso de conversión de agua común en agua potable se le denomina potabilización.

Los procesos de potabilización son muy variados, y dependen de la pro-cedencia del agua.


310

Puede realizarse una simple desinfección para eliminar los patógenos mediante: la adición de cloro, la irradiación de rayos ultravioletas, la apli-cación de ozono, etc. Estos procedimientos se aplican a aguas que se origi-nan en manantiales naturales o para las aguas subterráneas.

Si la fuente del agua es superficial (río, arroyo o lago) ya sea natural o artificial, el tratamiento suele consistir en un stripping de compuestos vo-látiles seguido de la precipitación de impurezas con floculantes, filtración y desinfección con cloro u ozono.

El caso extremo se presenta cuando el agua en las fuentes disponibles tiene presencia de sales y/o metales pesados. Los procesos para eliminar este tipo de impurezas son generalmente complicados y costosos.

Para llevar a cabo estos procesos contamos con las llamadas plantas potabilizadoras o estaciones de tratamiento de agua potable (ETAP), en las cuales el agua no apta para el consumo se transforma en agua apta.

A la hora de diseñar una planta de tratamiento de aguas para envasado es fundamental conocer las características del agua a tratar, ya que los equipos necesarios cambiarán según el tipo de agua del que se trate. Es ne-cesario conocer la dureza, la salinidad, la cantidad de sólidos no disueltos, el cloro contenido en el agua y si existe alguna sal más allá de los límites permitidos para el consumo humano.

Existen diferentes tipos de plantas potabilizadoras. Se clasifican princi-palmente en:

Plantas de tecnología convencional. •

Plantas de filtración directa.•

Plantas de filtración en múltiples etapas.•

También existen plantas potabilizadoras que combinan tecnologías de más de un tipo.

Las principales etapas del proceso en una planta potabilizadora son: decantación, precipitación, filtrado, cloración y bombeo.

Así para aguas superficiales los principales procesos para el tratamien-to serían:


311

1. Floculación:

Los sólidos en suspensión y turbiedad que generan son característicos de las aguas superficiales. Debido a la variabilidad de estos sólidos, la pre-sencia ocasional o no de elevadas concentraciones y la presencia de sóli-dos muy finos se realizan unos procesos de coagulación-floculación para facilitar su tratamiento.

En este proceso influyen las fuerzas químicas y físicas tales como la carga eléctrica de las partículas, la capacidad de intercambio, el tamaño y la concentración del flóculo, el pH, la temperatura del agua y la concentra-ción de los electrolitos.

Además se debe inducir una ligera agitación para favorecer la forma-ción de los flóculos.

En esta etapa las características importantes son:

El modo de producir la agitación.•

La velocidad.•

El tiempo de retención, que es el tiempo que permanece el agua en • esta unidad.

Los floculantes empleados pueden ser de 3 tipos:

Polímeros no iónicos, generalmente poliacrilamidas de peso molecu-1. lar muy elevado.

Polielectrolitos aniónicos, entre otros copolímeros de actrilato-acrila-2. mida.

Polielectrolitos catiónicos de tipo polietilenamina o clorhidrato de 3. polivinilamonio.

2. Decantación o sedimentación:

Sedimentación es la operación por la cual se eliminan las partículas só-lidas de una suspensión mediante la fuerza de gravedad.

Es decir, una vez que se han formado los flóculos se pretende que estos sedimenten en el fondo del decantador, para que el agua se clarifique y los sólidos puedan ser eliminados del fondo.

En esta fase es importante el modo de extraer los lodos acumulados en el fondo, ya sea de forma continua o periódica.


312

FLOCULACIÓN

SEDIMENTACIÓN

FILTRACIÓN

DESINFECCIÓN

AGUA DE CONSUMO HUMANO

Eliminación partículas más grandes(Limpieza de fondos)

Eliminación partículas SÓLIDAS

Cl

Figura 12.3. Esquema del proceso de potabilización.

3. Filtración:

Este proceso es complementario a los dos procesos anteriores, de ma-nera que el objetivo es eliminar aquellos sólidos disueltos indeseados que no se pudieron eliminar en la decantación.

Hay una gran variedad de filtros, en general se utilizan unidades de fil-tración rápida en poblaciones medianas a grandes y los filtros lentos en co-munidades pequeñas, debido a la gran superficie que requieren.


313

La filtración puede completarse con una adsorción de los productos or-gánicos o minerales en solución. Un ejemplo es el uso de carbón activo para eliminar ciertos elementos o el olor de las aguas potables.

De la filtración obtenemos agua limpia pero no libre de bacterias pató-genas.

4. Desinfección:

La desinfección es una etapa fundamental e indispensable en todo es-quema de potabilización de agua. Es siempre la etapa final y se puede rea-lizar aplicando métodos físicos (elevación de la temperatura, luz ultravio-leta) o químicos (empleando sustancias llamadas desinfectantes, como son el cloro, el ozono y los iones metálicos).

Con ella se pretende la desactivación de bacterias y otros microorganis-mos que pueden causar enfermedades al ser humano.

Factores importantes a la hora de seleccionar el desinfectante son el tiempo de contacto, la temperatura y la naturaleza del compuesto.

Para finalizar el proceso se realizaría el bombeo para su suministro.

Dependiendo de las características del agua puede necesitar algún otro tratamiento como puede ser la regulación del pH o de la dureza (mediante la adición de sosa o cal).

12.5. PLANTAS DESALINIZADORAS

La desalinización o desalación es el proceso de eliminar la sal del agua de mar o salobre y las plantas desalinizadoras son las instalaciones indus-triales destinadas a este fin.

Debido a la presencia de sales minerales, el agua del mar no es potable para el ser humano y su ingestión en grandes cantidades puede llegar a provocar la muerte. Conseguir potabilizar el agua del mar es una de las po-sibles soluciones a la escasez de agua potable, lo cual se puede realizar me-diante su desalinización.

Las plantas desalinizadoras presentan algunos inconvenientes ya que producen residuos salinos y sustancias contaminantes que pueden perjudi-


314

car a la flora y la fauna. Además, el proceso supone un elevado consumo eléctrico. Es por ello que su uso no está más extendido.

Existen diferentes formas de eliminar la sal del agua del mar:

Destilación: Puede ser de tres tipos:1.

Destilación flash multietapa (MSF):a) se calienta la salmuera y se introduce en un recipiente con baja presión. Parte del agua se evapora y se condensan sobre los tubos que llevan el agua de ali-mentación (que está a temperatura inferior). Este proceso se de-sarrolla en varios pisos con presiones decrecientes en los que el agua circula a contracorriente.

Evaporación con múltiples efectos (MED)b) : En una primera etapa el agua de mar es calentada con vapor de agua. El vapor produ-cido pasa a un segundo recipiente donde se condensa. Las etapas se enlazan las unas con las otras utilizando el vapor obtenido en cada una de ellas para calentar el agua en la siguiente etapa. Pue-de estar formado por 20 compartimentos en serie.

Evaporación con compresión de vapor: en este caso el propio va-c) por resultante de calentar la salmuera es comprimido para elevar su temperatura de condensación, esto se aprovecha para calentar el agua de mar que entra.

2. Tecnologías de membrana:

Electrodiálisis: al aplicar una corriente eléctrica, aniones y catio-a) nes toman direcciones opuestas, unos dirigidos al electrodo ne-gativo y otros al positivo. Al interponer entre ambos unas mem-branas permeables a los cationes y membranas permeables a los aniones alternativamente se consigue la separación de las sales. Este es un proceso muy caro.

Ósmosis inversab) : La ósmosis inversa es la tecnologí a más avanzada, eficiente y respetuosa del medio ambiente para desalinizar el agua, a pesar de que su nivel de consumo energético sigue siendo con-siderable. Esta tecnologí a hace pasar el agua a través de una serie de membranas, mediante diferencia de presiones de manera que el agua se transfiere desde la zona con mayor concentración de sales a la de menor concentración, purificándose durante el proceso.


315

PRETRATAMIENTO FILTRACIÓN MICROFILTRACIÓN(CARBÓN ACTIVADO) POSTRATAMIENTO

Membranasemipermeable

AGUA DULCE

SALES

Figura 12.4. Esquema del proceso de ósmosis inversa.

El proceso consta de las siguientes etapas:

Pretratamiento:1. Consiste en separar los sólidos en suspensión y aña-dir algunos aditivos (como hipoclorito de sodio) para eliminar las bacterias y demás microorganismos presentes.

Filtración:2. Mediante filtros de arena y coagulantes (cloruro férrico) se eliminan los sólidos principales.

Microfiltración:3. Se emplean filtros especiales de cartucho con carbón activado y otros productos para retener las microimpurezas restantes.

Retención de las sales4. : Se realiza el paso del agua a través de las membranas de ósmosis inversa. Mediante una bomba a presión se hace pasar el agua salada a través de un tubo con varias membranas semipermeables, que dejan pasar el agua pero retienen las sales en un soporte poroso.

Postratamiento y depósito:5. El agua se remineraliza con cal y dióxido de carbono para hacerla apta para el consumo humano. El agua se almacena y la salmuera se devuelve al mar.

12.6. OBTENCIÓN DE SALES

La sal marina es la sal procedente de la evaporación del agua de mar.

Por regla general, la sal marina tiene un 86% de cloruro sódico (NaCl) y trazas de oligoelementos como calcio, cloruro de magnesio, potasio, yodo


316

y manganeso. La sal marina refinada está compuesta casi exclusivamente de cloruro de sodio (más de 99%).

Como materia prima la sal es de uso universal y sus reservas se estiman como inagotables dado que su mayor fuente es el agua de los mares y océa-nos. Una de las circunstancias que hacen a la sal única es su proceso de obtención totalmente ecológico, ya que en su producción industrial se aprovechan fuentes energéticas naturales como la radiación solar y la ciné-tica del aire.

Las instalaciones constan de depósitos de concentración, balsas de eva-poración-precipitación y cristalizadores.

La sal (NaCl) tiene varios usos:

En la alimentación como condimento y como conservante.•

En la industria como descalcificador, en la elaboración del papel o del • cuero, en la elaboración de jabones y detergentes, como anticongelante.

En la industria química como fuente de cloro, etc.•

De la sal obtenida del agua de mar también se puede extraer cloruro de magnesio, que es una gran fuente de magnesio, obtenido por electrólisis.

El cloruro de magnesio posee una gran variedad de usos. Se utiliza en la fabricación de productos textiles, papel, agentes ignífugos, cemento y en la refrigeración.

12.7. OBTENCIÓN DE BROMO Y DE YODO

12.7.1. Bromo

El bromo pertenece al grupo de los halógenos y es menos abundante que el flúor y el cloro. En la forma elemental es un líquido rojo oscuro, denso, fluido y corrosivo, con un vapor rojo marrón a 25 ºC. Existe princi-palmente como bromuros de sodio, potasio, magnesio y calcio, en el agua salada, salmueras subterráneas y lechos salinos.

La disolución del bromo es decolorante; el bromo ataca a las materias orgánicas, madera, corcho, caucho, etc., y corroe la piel y forma úlceras di-fíciles de curar.


317

Se usa, principalmente:

en la producción de bromuro de plata para lentes sensibles a la luz y • películas fotográficas;

en la producción de bromuro sódico, como sedante suave;•

en el bromuro de metilo, CHBr, como fumigante del suelo, aunque • contribuye a la destrucción de la capa de ozono.

Obtención de bromo por agua de mar. El descubrimiento fue hecho por Balard en el líquido residual (aguas madres) de la separación de la sal co-mún del agua del mar por evaporación. Actualmente se obtiene del agua de mar mediante la acción del cloro sobre los bromuros presentes en la misma, método de Kubiersky.

Se trata el agua de mar con cloro (gas) y aire, de manera que el cloro oxida el bromuro obteniéndose bromo.

La ecuación correspondiente a este proceso es:

2Br¯ +Cl2 → Br2 + 2Cl¯

E° = 1,358 – 1,065 = +0,293 V

Método de obtención en la industria: se obtiene descomponiendo el bro-muro de magnesio contenido en las aguas madres de las cenizas de las al-gas marinas, por una corriente de cloro:

MgBr2 + Cl2 → Mg Cl2 + Br2

O por electrólisis haciendo pasar la corriente eléctrica a través de las aguas ricas en bromuros, formándose bromo en el electrodo positivo.

12.7.2. Yodo

El yodo es un sólido cristalino (acerado) negro violeta con brillo metálico.

A diferencia de lo que ocurre con el cloro o el bromo, la cantidad de yo-duro en el agua del mar es muy baja (0,05 ppm), sin embargo algunos or-ganismos marinos y ciertas clases de algas absorben el yoduro del agua y de este modo lo concentran (1000-3000 ppm).


318

El procedimiento más antiguo de obtención de yodo consiste en su ex-tracción de algas marinas. Las algas se dejan secar y luego se queman. La masa fundida de sales se extrae de las cenizas con agua. Este extracto —que contiene yoduro además de sulfatos, cloruros, etc.— se trata luego con ácido sulfúrico y dióxido de manganeso:

2I– + MnO2 + 4H+ → I

2 + Mn2+ + 2H

2O (1)

También, al igual que con el bromo, se oxida con cloro:

2I– +Cl2 → I2 + 2Cl¯

Aproximadamente la mitad del yodo producido en el mundo se destina a la síntesis de varios compuestos orgánicos, como por ejemplo el yodofor-mo CHI3 y el yoduro de metilo CH3I.

El yodo es un elemento esencial en la dieta humana. La glándula tiroi-des produce tiroxina, una hormona que contiene yodo y es responsable de la regulación del crecimiento. Cuando la tiroides no consigue el iodo sufi-ciente, aumenta de tamaño. Pequeñas cantidades de ioduro de potasio añadidas a la sal de mesa (sal iodada) proporcionan el iodo necesario para prevenir el bocio.

La tintura de yodo, una solución de I2 y KI en alcohol, es utilizado

como desinfectante, debido al efecto antiséptico del yodo.

El AgI es usado en fotografía y también se utiliza para la fabricación de sustancias colorantes.

Preparación en la industria: La preparación del yodo implica la re-ducción del ión yodato NaIO3 con bisulfito sódico, NaHSO3.

El yodo luego se purifica por sublimación calentándolo en unas retor-tas de barro, colocadas en baños de arena; los vapores se condensan en unos recipientes fuera del horno.

12.8. ELECTROLISIS DEL AGUA: PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO

Con el fin de reducir el nivel de contaminación en la atmósfera, de cara a evitar problemas ambientales como el efecto invernadero y alteraciones del clima, se ve necesario encontrar nuevas alternativas para producir energía, manteniendo las condiciones de confort actuales y por tanto su oferta global.


319

Entre las energías alternativas que permiten reducir la dependencia de los combustibles fósiles y reducir la contaminación ambiental se postuló hace ya años el empleo del hidrógeno.

La posibilidad de partir de una materia prima barata y abundante como es el agua de mar ha conducido a proponer procesos industriales, hoy técnicamente realizables, para su obtención.

Los procesos propuestos están basados en la electrólisis del agua. Uno de los inconvenientes que se resaltan en esta tecnología es la elevada ener-gía que se requiere para obtenerlo, aun considerando la incorporación a estos procesos de los recientes desarrollos en la aplicación de otras ener-gías como la fotovoltaica.

El proceso de electrolisis se produce en una celda donde se distinguen dos electrodos catódico y anódico, en la que al aplicar corrientese produce la migración de los iones a sus respectivos electrodos.

En algunas formas de operación, al emplear como electrolito una diso-lución alcalina, típicamente disoluciones de hidróxido sódico o potásico, se desprende hidrógeno y se forma el hidróxido correspondiente en solución.

NaOH

H2

H2O

Figura 12.5. Proceso electrolítico.

Las reacciones que tienen lugar son las siguientes:

Cátodo: 2H2O → H2 + 2OH– – 2e–

Ánodo: 2OH– → ½O2 + H2O + 2e–

Celda: H2O → H2 + ½O2


320

Otras investigaciones sobre la electrolisis se encaminan hacia la pro-ducción fotoelectroquímica de la energía eléctrica necesaria para disociar las moléculas. Este sistema es capaz de dividir la molécula de agua en hi-drógeno y oxígeno, usando sólo la luz solar. A diferencia de los sistemas fo-tovoltaicos, éstos no necesitan cableado o convertidores externos. El siste-ma de recolección de radiación solar es capaz de generar suficiente voltaje para descomponer el agua.


321


1. Descripción del proceso de ósmosis inversa.

2. ¿Qué es un agua de consumo humano según el RD 140/2003? Describir un proceso general de potabilización de agua.

3. Determinar el valor de DQO para una muestra 5 mL de agua sabiendo que se ha empleado una disolución de concentración 0.0726 moles/L para su valoración. El volumen de solución consumido por la muestra es de 3,5 ml mientras que para la valoración del blanco se han emplea-do 1,4 ml de solución. A la vista del valor de DQO hallado ¿qué proce-dencia podría tener dicha agua residual?

Solución:

Cálculo del DQO según la fórmula:

DQO (mg/L) =

8000 · c · (V2 – V1)

V0

Datos:

V• 0 = 5 ml (volumen de la porción de ensayo antes de la dilución).

V• 1 = 1,4 ml (volumen de sulfato de hierro (II) y amonio utilizado en la valoración del blanco).

V• 2 = 3,4 ml (volumen de sulfato de hierro (II) y amonio utilizado en la valoración de la porción de ensayo).

c• = 0.0726 mol/L (concentración de la solución de sulfato de hierro (II) y amonio).

Sustituyendo:

DQO (mg/L) =

8000 · 0.0726 · (3,5 – 1,4)

5 = 243,94 mg O2/l

A la vista del resultado podemos deducir que probablemente se trate de un agua de origen doméstico, ya que el DQO es bajo, del orden de 250 a 1000 mg de O2/L.

Tema 13

La industria del cloro-sosa

13.1. Introducción

13.2. Procesos de producción de carbonato cálcico

13.2.1. Vía química13.2.2. Vía electroquímica

13.3. Electrolisis en disolución acuosa

13.4. Descripción del proceso en celdas de diafragma

13.5. Productos derivados


325

OBJETIVOS

Se fija como objetivo general del tema el conocimiento de las industrias del cloro y de la sosa, de su interrelación con otras industrias afines y de los pro-ductos derivados de ambos.

Como objetivos específicos se establecen:

Conocer las fuentes de cloruro sódico.•

Conocer la importancia del cloro y de la sosa como principales productos de • la industria química.

Conocer los procedimientos de obtención del carbonato sódico.•

Poder discutir de forma razonada la bondad de un proceso de descomposi-• ción de cloruro sódico frente a otros.

Comprender el funcionamiento de una celda electroquímica.•

Establecer los pros y contras de los procesos de obtención de hidróxido sódico.•

Conocer la dificultad de empleo de cámaras de mercurio sin dañar el am-• biente.

Establecer condiciones para la obtención de sodio, discutiendo los procesos • en base a su viabilidad y a su rendimiento.

Conocer las precauciones a adoptar en la manipulación de cloro.•

RESUMEN

Se desarrollan en el presente tema las fuentes de materias primas para la obtención de carbonato sódico, analizando en detalle la sal obtenida a partir de agua de mar.


326

Obtenido el cloruro sódico se discuten las posibilidades de descompo-nerlo en cloro y sodio por vía química y electroquímica.

En la vía química se comentan los procesos Leblanc y Solvay, resaltan-do la dificultad de operarlos por la existencia en diferentes unidades de productos gaseosos, líquidos y sólidos.

Para la vía electroquímica se presentan sus posibilidades de trabajo me-diante sales disueltas y por sales fundidas, justificando la utilización de tra-bajar en solución acuosa. Se estudian las celdas de diafragma y las de mer-curio significando sus analogías y diferencias, a la vez que se indican los problemas de operación que suelen aparecer en las plantas de proceso.

Se centra el estudio en el proceso de electrólisis en celdas de diafragma para la fabricación de cloro e hidróxido sódico a partir de una disolución de salmuera saturada.

13.1. INTRODUCCIÓN

En el tema anterior al hablar de la hidrosfera como materia prima ya vimos que podíamos obtener sales a partir del agua de mar, dado su conte-nido del 3,5 % aproximadamente en sales totales.

Una vez estudiadas las plantas de desalinización y visto que su objetivo era la obtención de agua, mientras la salmuera residual producida solo se trataba para evitar efectos de proceso y ambientales negativos, vamos a es-tudiar ahora la obtención de sal y de los productos que de ella se derivan.

De las sales presentes en el agua de mar la principal por cantidad es el cloruro sódico, prácticamente del orden del 80%, al menos diez superior a la siguiente en orden de concentración. Por ello desde la antigüedad se ob-tiene sal del agua de mar.

La forma general de obtención de sales a partir del agua de mar es su separación por evaporación del agua en base a su calefacción y eliminación del agua evaporada. El enorme aporte energético necesario para la evapora-ción de la gran cantidad de agua necesaria y su eliminación solo es posible, de forma rentable, mediante procesos naturales en los que se emplea la ra-diación solar como fuente energética y aprovechando los vientos para des-plazar el agua evaporada, de forma que se rompa el equilibrio líquido-vapor del agua y se resuelva éste evaporando más agua. Estas condiciones de irra-

LA INDUSTRIA DEL CLORO-SOSA

327

diación y vientos se dan en las principales salinas de nuestro país, en las costas de Torrevieja y San Fernando donde se extrae la sal del mar desde hace siglos. Al ir evaporándose el agua se alcanzan los productos de solubi-lidad de las diferentes sales disueltas produciéndose su precipitación.

El proceso natural citado suele mejorarse mediante la disposición del agua en balsas de poca profundidad y gran superficie para aumentar la ra-diación y la transmisión del calor absorbido a la masa de agua, a la vez que se adicionan al agua compuestos que aumentan la absorción de la radia-ción solar. Los vientos constantes en las zonas elegidas como salinas favo-recen, como se ha comentado, la evaporación.

La sal común, NaCl, también se encuentra como tal en la Naturaleza, sal gema, en minas que permiten su extracción prácticamente directa. Una parte importante de estas minas se localizan en Polonia, siendo las más im-portantes las de Wieliczka. En España la mina de Cardona (Barcelona) es de silvinita (NaCl-KCl), mientras las de Remolinos (Zaragoza) es halita. El principal mineral de partida para NaCl es la halita, única roca comestible.

La importancia de la sal, como alimento vital, ha sido enorme a lo lar-go de la historia, aunque en la actualidad ha bajado su relevancia como va-lor estratégico.

Desde el punto de vista industrial el cloruro sódico es básico para la ob-tención de álcalis como el carbonato sódico y como fuente de cloro y todos sus productos derivados.

Al cloruro sódico obtenido del agua de mar le acompañan, en mucha menor proporción, cloruros y sulfatos de magnesio, cloruro potásico y bro-muro sódico. Gran parte de estas sales están también presentes en yaci-mientos minerales que permiten la obtención de los elementos que contie-nen. Así el potasio se obtiene a partir de la silvina (50 % K), la silvinita (24% K), la carnalita (13% K) y la cainita (15% K), estos dos últimos mine-rales son sales dobles hidratadas de potasio y magnesio.

13.2. PROCESOS DE PRODUCCIÓN DE CARBONATO SÓDICO

El cloruro sódico obtenido, como se ha indicado en el apartado ante-rior, constituye la fuente de cloro y sodio y de los derivados de ambos. Para obtener estos elementos o sus derivados es preciso descomponer el NaCl


328

en sus componentes. Dicha descomposición puede realizarse por vía quí-mica o por vía electroquímica.

13.2.1. Vía química

La descomposición por vía química del cloruro sódico supone un hito en la industria química, al conseguir, a principios del siglo XIX, solucionar el problema de la dificultad de producir las grandes cantidades de álcalis que precisaban las pujantes industrias del vidrio, del papel y de la limpieza.

El primer procedimiento empleado fue el denominado proceso Le-blanc. En él se ataca el NaCl con ácido sulfúrico para desplazar el cloruro y formar sulfato sódico, que posteriormente es reducido a sulfuro y trata-do éste con caliza.

La reacción global es:

2NaCl + H2SO4 + 4C + CaCO3 → 2HCl + 4CO + CaS + Na2CO3

La gran proporción de productos adicionales al objeto de fabricación, carbonato sódico, y su dificultad de comercialización, cuando no su obli-gado tratamiento por exigencias ambientales y de seguridad, propició que el método Leblanc fuese siendo sustituido.

La segunda vía de descomposición del NaCl fue el proceso Solvay, con-sistente en el ataque del cloruro sódico por carbonato cálcico, mediante la reacción:

2NaCl + CaCO3 → Na2CO3 + CaCl2

Como el ataque directo no da resultado se lleva a cabo indirectamente atacando el cloruro sódico con bicarbonato amónico, obteniendo bicarbo-nato sódico que es posteriormente descompuesto por calor en carbonato sódico.

El proceso supone un reto de ingeniería por las reacciones involucra-das y por la dificultad de separación de algunos de los productos que van formándose y por la necesaria recuperación de gran parte de los productos para minimizar sus aportes externos. Este es el caso de gases como el amo-níaco y el anhídrido carbónico, o sólidos como el óxido de calcio.


329

El carbonato sódico obtenido (700.00Tm/año en España) se emplea en las industrias del papel, textil, jabonería, esmaltados y vidrios.

Una parte importante de su producción (45%) se emplea también en la obtención de hidróxido sódico, mediante su tratamiento con lechada de cal, proceso conocido como caustificación y al producto obtenido sosa caústica.

Na2CO3 + Ca(OH)2 → CaCO3 + NaOH

13.2.2. Vía electroquímica

Los procedimientos de descomposición del NaCl por vía electroquímica pueden ser a partir de sales fundidas o bien a partir de sales disueltas.

Por electrólisis de sales fundidas se podemos obtener sodio y cloro.

El proceso industrial consiste en fundir la sal (Tfus. = 806 ºC), para lo que es preciso adicionar fundentes, como el carbonato sódico que consi-gue rebajar la temperatura de fusión unos doscientos grados, y separar los iones sodio y cloruro haciéndoles migrar a sus electrodos respectivos, don-de se recogen como gas en el ánodo y como metal en el cátodo.

13.3. ELECTRÓLISIS EN DISOLUCIÓN ACUOSA

Entre las diferentes tecnologías electroquímicas aplicadas en la indus-tria la más extendida es la que utiliza salmueras como fuente de partida.

2NaCl + 2H2O → 2NaOH + Cl2 + H2

Los procesos más importantes para obtener cloro de esta forma han sido los conocidos como cátodo de mercurio y de, diafragma, empleando cátodo de hierro. Las diferencias entre ellos estriban en los potenciales de trabajo, 3,04 V para la celda de mercurio y 2,15 V para la de diafragma, en la concentración y pureza elevada del hidróxido sódico de las celdas de mercurio frente al diluido e impurificado de las celdas de diafragma y en la forma de operar ambas celdas.

La energía teórica necesaria para la producción de una tonelada de clo-ro, y las 1,12 toneladas de hidróxido sódico que corresponden, es de


330

1.650 KWh. Con la tecnología y la obligada forma de operar actuales se ob-tienen rendimientos del 50 %, con lo que el consumo real puede duplicar al teórico citado.

Las células de diafragma tradicionales están constituidas por una cuba metálica de sección rectangular, en la que se ubican el ánodo, de grafito o metálico, y el cátodo, formado por una malla de hierro recubierta por una capa de amianto conocida como diafragma. El diafragma permite, por su porosidad, realizar la separación física del cloro anódico del hidrógeno ca-tódico que en caso de mezcla reaccionarían de forma violenta.

Mientras el cloro se recupera como tal en el ánodo, el hidróxido sódico que constituye el catolito contiene, en general, más sal que sosa, sin que pueda aumentarse la concentración de sosa sin reducir el rendimiento eléctrico.

Esta particularidad del líquido catódico constituye la principal diferen-cia de funcionamiento frente a las células de mercurio, que producen di-rectamente sosa comercial al 50 %. La sosa de las células de diafragma es preciso concentrarla en una unidad de evaporación posterior para obtener la sosa comercial de la concentración requerida. Esta concentración no evita que continúe conteniendo alrededor de 1 % de sal, lo que impide su empleo en la industria textil principalmente. Se precisan alrededor de 2.500 Kg vapor/Tm NaOH, lo que supone una carestía adicional para este tipo de instalaciones.

Las celdas de mercurio han sido desarrolladas principalmente en Euro-pa. Para su adecuada operación precisan incorporar continuamente sal só-lida, mientras las celdas de diafragma pueden alimentarse exclusivamente de salmuera.

La reacción de descomposición que en las celdas de diafragma se reali-za en un solo paso, aquí se desdobla en dos reacciones al ser preciso rom-per la amalgama de sodio formada inicialmente.

La celda de mercurio está formada por una cuba larga y estrecha en cuya tapa van colocados los ánodos, mientras el fondo de la celda se cubre con una lámina de mercurio en circulación que actúa como cátodo. La sal-muera discurre por encima del mercurio para ser sometida a electrólisis, desprendiéndose cloro en el ánodo y formándose una amalgama de sodio-mercurio en el cátodo.


331

Esta amalgama de sodio es extraída del circuito y conducida a una se-gunda unidad, conocida como desamalgadora, donde en presencia de agua y un nuevo electrolizador que actúa como cátodo, se forma hidróxi-do sódico y se desprende hidrógeno. El mercurio liberado de la amalgama se devuelve al ciclo, resultando fundamental evitar cualquier perdida por las restricciones ambientales que para este elemento fijan las distintas normativas.

2Na-Hg + 2H2O → 2NaOH + H2 + 2Hg

Sol una parte mínima de la salmuera saturada que alimenta la celda de mercurio se descompone en ella por lo que es preciso recircularla y satu-rarla de nuevo. La salmuera entrante a la celda presenta concentraciones del orden de 300 g/l, saliendo de la celda en concentración de 250 g/l, es decir solo se ha electrolizado un 15 %. Ello obliga a recuperar los 50 g/l electrolizados haciendo circular la salmuera sobre un lecho fijo de sal sóli-da antas de introducirla de nuevo en la celda.

Las celdas de diafragma tienen como principales problemas el carácter consumible de los ánodos de grafito, por su oxidación a CO2 y el desgaste del diafragma de amianto, que obligan a cambiar unos y otro cada seis me-ses aproximadamente. Durante mucho tiempo las únicas mejoras en estas celdas fueron aumentar la superficie de ánodos y cátodos, sin que apare-ciesen nuevos problemas, con lo que las fábricas aumentaban su capaci-dad de producción.

Por el contrario las celdas de mercurio han mejorado de forma conti-nua, trabajando cada día con mayores intensidades y mejorando en el mantenimiento del mercurio dentro de las instalaciones de forma que se cumpliesen las legislaciones más exigentes. El mayor avance se ha pro-ducido con la introducción de ánodos metálicos (titanio y rutenio) en sustitución del grafito empleado con anterioridad. La sustitución del gra-fito por titanio ha supuesto notables ventajas por el mayor rendimiento electroquímico del proceso y la disminución del consumo de corriente al poder mantener una distancia constante y muy reducida entre ánodo y cátodo.

Es sobradamente conocido que una de las variables principales que ac-túa sobre la tensión de trabajo de una celda es la caída de tensión entre


332

ánodo de grafito y cátodo de mercurio. Al ir consumiéndose el grafito por el desprendimiento de oxígeno en el ánodo y la formación de CO2, aumen-ta la distancia entre electrodos, aumentando la caída de tensión y disminu-yendo el rendimiento. Aunque se emplearon sistemas para aproximar ánodo y cátodo a medida que se gastaba el primero no se resolvía el pro-blema. Hasta la sustitución del grafito por titanio no se consiguió ajustar y mantener la distancia entre ambos.

El avance obtenido en las celdas de mercurio hizo que se incorporasen estos ánodos a las celdas de diafragma. En estas también se ha mejorado el diafragma haciéndolo más resistente, más selectivo y con menor pérdida de carga, aunque sigue empleándose de forma mayoritaria el amianto, en ocasiones reforzado con polímeros sulfonados.

13.4. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO EN CELDAS DE DIAFRAGMA

La fabricación de cloro e hidróxido sódico a partir de salmueras me-diante descomposición electrolítica en celdas de diafragma se ajusta al si-guiente diagrama:

Preparaciónsalmuera

Concentración, purificación y

almacenamiento de NaOH

Neutralización del cloro

Compresión, licuefacción y almacenamiento de cloro

Purificación y secado de cloro

Electrólisis Tratamiento y almacenamiento de H2

Preparación de la salmuera

La sal bruta se traslada de los montones de sal a los depósitos de lava-do, donde se mezcla con agua fría de proceso y se transporta, mediante cintas, al depósito de disolución con agua caliente para obtener la salmue-


333

ra. La salmuera saturada y limpia de impurezas se envía al electrolizador (celdas).

Electrólisis

La salmuera saturada y caliente entra en las celdas, que se mantienen a temperatura de unos 90 ºC, donde se descompone formando hidrógeno, cloro e hidróxido sódico. El electrolito, de composición media 9% de hi-dróxido sódico, 13 % de NaCl y el resto agua, sale caliente, e intercambia calor con la salmuera de entrada, almacenándose en depósitos de alimen-tación de evaporadores como licor de celdas listo para evaporar.

Tratamiento y almacenamiento de hidrógeno

El hidrógeno saturado abandona las celdas, intercambiando calor y atravesando un filtro para eliminar las posibles nieblas que lo acompañen, para ser posteriormente comprimido y almacenado.

Purificación y secado de cloro

El cloro saturado con vapor de agua procedente de las celdas se enfría en intercambiadores y se filtra para retirar las nieblas que suelen acompa-ñarlo y eliminar el NaCl que pudiera llevar.

Limpio el cloro, se deseca en torres de lavado, haciéndole circular en contracorriente con ácido sulfúrico. El gas cloro, ya seco, queda listo para su licuefacción.

Compresión, licuefacción y almacenamiento de cloro

El cloro seco se comprime a 4,5 Kg/cm2 para su licuefacción y posterior-mente se enfría en intercambiadores que emplean refrigerantes, licuándose alrededor del 90 %. El gas no condensado contiene el hidrógeno que pudiera haberse arrastrado desde las celdas y que ha acompañado al cloro en todo el proceso. Dada la posible explosividad de la mezcla el contenido en hidróge-no debe ser inferior al 7 % que corresponde a su límite de explosión.


334

Concentración, purificación y almacenamiento de hidróxido sódico

El licor de celdas citado anteriormente se bombea a los evaporadores (generalmente de tres efectos) para su concentración. El efluente de evapo-ración es una solución concentrada de sosa caústica y sal en suspensión, que se somete a una nueva evaporación para terminar de precipitar la sal y favorecer su cristalización en un tanque dispuesto al efecto. La suspensión obtenida se centrifuga para separar la sal precipitada y dejar lista la diso-lución de hidróxido sódico al 50 % para su almacenamiento y expedición.

Neutralización del cloro

Los gases no condesados y ricos en cloro no pueden verterse a la at-mósfera por lo que debe eliminarse este gas mediante su tratamiento por neutralización en una columna en contracorriente con una disolución di-luida de sosa.

13.5. PRODUCTOS DERIVADOS

Los principales productos derivados del cloruro sódico son, como ya se ha indicado, el cloro y sus derivados, el hidróxido sódico, el sodio metal y el hidrógeno.

En España existen actualmente varias plantas de cloro, algunas de ellas (Sabiñánigo) a partir de cloruro potásico, que producen alrededor de 600.000 Tm/año.

Sus principales aplicaciones son en insecticidas, como cloral, dicloro-benceno y hexacloruro de benceno, aditivos de lubricantes y pinturas, como cloroparafinas, para fabricación de derivados fluorados y drogas como cloroformo y tetracloruro de carbono, y para la obtención de cloruro de vinilo y sus polímeros, etc.

De hidróxido sódico, uno de los productos principales de la industria química, se producen en España 700.000 Tm/año, de las que menos de la mitad se obtienen a partir del carbonato sódico, obteniéndose el resto en electrólisis de disoluciones de cloruro sódico. Los centros de producción se distribuyen entre Tarragona, Huelva y Torrelavega.


335

Las aplicaciones del hidróxido sódico, sosa caústica, son como álcalis, para la neutralización de ácidos, en la industria del aluminio, en la indus-tria papelera, en la fabricación de jabón, en el tratamiento de cueros, en la fabricación de detergentes y en la obtención de distintos productos quími-cos como hipoclorito sódico, tripolifosfatos, fenol, etc.

El sodio metal se empleó ampliamente en la fabricación de plomo te-traetilo, hoy en desuso. Su aplicación actual más extendida es como reduc-tor en procesos orgánicos y en metalurgia. También se emplea como con-ductor térmico y eléctrico.

La potasa caústica (KOH) tiene menores aplicaciones que la sosa, em-pleándose principalmente para la obtención de carbonato potásico y en la producción de jabones. Se obtiene en electrolizadores de mercurio principalmente, de forma similar a como se ha comentado para el hi-dróxido sódico.

Entre los cloritos y cloratos el de mayor demanda industrial es el hipo-clorito sódico. Sus disoluciones acuosas, conocidas como lejías, se em-plean ampliamente en productos de limpieza por su capacidad oxidante y eliminadores de microorganismos.


336


1. Citar las posibles fuentes de cloruro sódico y discutir las ventajas e in-convenientes de cada una de ellas.

2. Indique la reacción de descomposición del NaCl mediante ácido sulfú-rico y calcule la cantidad de ácido a emplear para obtener 1000 Kg de carbonato sódico.

3. Calcular la cantidad de carbonato sódico que se obtendría al descom-poner 1000 kg de NaCl mediante bicarbonato amónico.

4. Indicar las diferencias entre las celdas de diafragma y las de mercurio.

5. Proponga un diagrama de bloques para la obtención del cloruro sódico a partir de agua de mar.

6. Justifique la necesidad de tratar la corriente líquida que sale de un elec-trolizador de diafragma.

7. Justifique la necesidad de emplear una segunda unidad desamalgama-dora en las celdas de mercurio.

Tema 14

La litosfera como materia prima: minerales y productos básicos.

Principales ácidos

14.1. Definición y composición

14.2. Ácido sulfúrico

14.2.1. Definición, caracterización y propiedades14.2.2. Materias primas de partida14.2.3. Procesos de fabricación

14.3. Ácido fosfórico


14.3.4.1. Fertilizantes14.3.4.2. Detergentes

14.3.4. Productos derivados

14.4. Ácido nítrico

14.4.1. Definición, caracterización y propiedades14.4.2. Materias primas de partida14.4.3. Procesos de fabricación14.4.4. Productos derivados

14.5. Ácido clorhídrico


14.5.3.1. Proceso de sal y ácido sulfúrico

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14.5.3.2. Proceso sintético14.5.3.3. Cloruro de hidrógeno como subproducto


14.6. Otros ácidos

14.6.1. Ácido carbónico14.6.2. Ácido fluorhídrico14.6.3. Ácido cianhídrico


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OBJETIVOS

Conocer las posibilidades de aprovechamiento industrial de distintas rocas • y minerales.

Conocer la importancia de los principales ácidos inorgánicos.•

Aportar información que permita entender las distintas formas de operar • con ácidos.

Conocer los procesos de obtención de ácido sulfúrico.•

Conocer los procesos de obtención de ácido nítrico.•

Conocer los procesos de obtención de ácido fosfórico.•

Conocer los procesos de obtención de ácido clorhídrico.•

Conocer la importancia, las principales características y los procesos de ob-• tención de ácidos menores como el carbónico, fluorhídrico o cianhídrico.

Establecer las bases para discutir la bondad de un determinado proceso de • fabricación.

Conocer las aplicaciones industriales de los ácidos y de sus productos deri-• vados.

Transmitir ideas que permitan discutir la relación entre materia prima y • producto.

Conocer la importancia de las condiciones de operación en la mejora del • rendimiento de los procesos.


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RESUMEN

Se comenta la composición de la litosfera y sus posibilidades de apro-vechamiento industrial como fuente de productos de base en la obtención de ácidos y de metales.

Estudiaremos los ácidos principales, por su demanda y aplicaciones, como son el sulfúrico, el fosfórico, el nítrico y el clorhídrico y se mencio-naran otros como carbónico, fluorhídrico y cianhídrico.

Para cada tipo de ácido se da su composición, características y propie-dades, se comentan las materias primas que se emplean en su fabricación, se describen los procesos industriales más comunes seguidos en su obten-ción y se concluye con un breve resumen de sus productos derivados.

14.1. DEFINICIÓN Y COMPOSICIÓN

La litosfera es la envoltura rocosa que constituye la corteza exterior só-lida de la Tierra.

Las alteraciones producidas en el manto exterior (20-70 Km de espesor) a lo largo de los años, en los diferentes periodos geológicos, han dado lugar a la heterogénea distribución de compuestos en aquel. Por otra parte las condi-ciones ambientales y la acción combinada del agua y los agentes oxidantes y reductores naturales han sido causa de desplazamientos de ciertas sustancias y de su concentración preferente en ciertos espacios frente a otras.

Su composición general puede desglosarse en compuestos inorgánicos como arcillas, calizas, cuarzo, feldespatos y diferentes compuestos metálicos solos o más comúnmente asociados a otras combinaciones silíceas. Por otra parte forman también parte del suelo los distintos tipos de materia orgánica, los nutrientes de las plantas y gases y agua requeridos por los seres vivos.

La clasificación más común sobre la distribución de elementos en la Tierra es la correspondiente a siderófilos, si se encuentran nativos (Au, Pt, Ag, ...), calcófilos los que aparecen como sulfuros (Fe, Cu, Pb, Zn, Hg...) y litófilos, los que aparecen como silicatos (Al, Ca, Mg...).

En cuanto a elementos predominan oxígeno, silicio, azufre, aluminio, hierro, calcio, sodio… En base a ello los compuestos más comunes son si-licatos, óxidos y sulfuros.

LA LITOSFERA COMO MATERIA PRIMA: MINERALES Y PRODUCTOS BÁSICOS. PRINCIPALES ÁCIDOS

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La arcilla, caliza y sílice se tratan en otros temas, centrándonos en este en los tratamientos de minerales y rocas base para la obtención de ácidos. Estudiaremos los ácidos principales, por su demanda y aplicaciones, como son el sulfúrico, el fosfórico, el nítrico y el clorhídrico y se mencionaran otros como carbónico, fluorhídrico y cianhídrico.

14.2. ÁCIDO SULFÚRICO

14.2.1. Definición, caracterización y propiedades

Es uno de los productos químicos de mayor importancia y de mayor uso y producción, debido a que es un ácido inorgánico, diprótido, fuerte en sus dos disociaciones y bastante barato de producir. Se utiliza para la formación de sulfatos y para la sulfonación y en el proceso de producción de industrias de fertilizantes y petroquímica entre otras, pero no es fre-cuente que aparezca en los productos finales. El consumo de ácido sulfúri-co es indicativo del nivel de la industria de un país.

El ácido sulfúrico, responde a la fórmula química H2SO4, y se presenta como un líquido inodoro, aceitoso y denso, transparente e incoloro en es-tado puro. Es un oxidante leve, por lo que en frío reacciona con los meta-les, con los que se muestra altamente corrosivo, intensificandose el proce-so en caliente.

Es un agente deshidratante, principalmente con los compuestos orgáni-cos, importante para las conversiones como la nitración, la sulfonación y la esterificación. Es totalmente soluble en agua, con gran desprendimiento de calor, que suele mitigarse por adicción lenta del ácido sobre agua y con agitación constante para facilitar la disipación del calor generado. La adi-ción contraria de agua sobre ácido origina reacciones violentas con pro-yecciones al exterior que pueden resultar muy peligrosas.

Densidad 1,85 g/cm3 a 0 ºC

Punto de ebullición (descomposición) 340 ºC

Punto de fusión (congelación) 10,49 ºC

También se denomina ácido sulfúrico, al monohidrato, a sus soluciones acuosas (H2SO4 + nH2O) y a sus soluciones con trióxido de azufre (H2SO4 + nSO3), denominadas óleum.


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En resumen sus aplicaciones se basan en su fuerte acidez, como agente de ataque para obtener otros ácidos por desplazamiento de sus respectivas sales, su afinidad para con el agua, como deshidratante ambiental en pe-queños espacios (desecadores) y en síntesis orgánicas, como oxidante sua-ve y como agente sulfonante de hidrocarburos aromáticos y en menor me-dida olefínicos.

14.2.2. Materias primas de partida

El azufre necesario para la obtención del ácido sulfúrico, puede tener di-ferentes orígenes, y dependiendo de cuál sea este, habrá que almacenarlo o adicionarlo de diferente forma. Las fuentes de origen del ácido sulfúrico son:

Azufre procedente de la desulfuración del petróleo o gas natural, lo • que contribuye a solucionar su problema de generación de residuos.

Piritas y otros sulfuros.•

Minerales no férreos con azufre.•

Gases con contenido en azufre que provienen de diferentes fuentes.•

Sales de sulfato.•

Una vez obtenido el azufre, o sus derivados, se prepara para la obten-ción del SO2. Esta fase es distinta según sea la procedencia del azufre:

Azufre procedente de la industria petroquímica. Todas las fracciones del petróleo contienen azufre, siendo preciso eliminarlo para el buen uso de sus productos finales, ya sean estos gases, gasolinas, gasóleos, etc..

El azufre, en estado sólido, se trata en una instalación de fusión, se fil-tra y almacena en estado líquido. En el proceso de obtención del SO2, se oxida, dependiendo del proceso en una o dos etapas, con temperaturas en-tre los 900 y 1500 ºC. El método empleado para realizar la combustión, consiste en poner en contacto el azufre con aire seco.

Tostación de la pirita. El proceso más común en este caso es el de lecho fluidizado. Los subproductos que se obtienen son óxidos de hierro y energía. Los gases de azufre que se producen, SO2, se tratan en filtros y depuradoras.

S8(s) + 8 O2 → 8SO2 (g)


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Tostación y fusión de metales con azufre. En este caso, en los procesos de obtención de metales como cobre, zinc y plomo se obtiene también SO2.

Regeneración del ácido sulfúrico. El ácido sulfúrico agotado, se descom-pone térmicamente, para volver a utilizarlo. Este ácido se puede regenerar desde su uso como limpiador o catalizador.

Combustión de gases que contienen azufre como el H2S.

8H2S(g) + 4O2(g) → S8(s) + 8H2O(g)

14.2.3. Procesos de fabricación

Como se ha indicado en el apartado anterior el producto base para la fabricación del ácido sulfúrico es el dióxido de azufre. Una vez obtenido el SO2, es preciso realizar una oxidación catalítica para pasar el SO2 a SO3, y posteriormente absorber estos gases con agua en una torre de absorción para formar el H2SO4.

En función del contenido en SO2 a la entrada del horno de oxidación, existen siete procesos de fabricación del ácido sulfúrico. El proceso de cáma-ras de plomo que producía ácido del 80% está en desuso, frente a los méto-dos de contacto. Nos centraremos en el proceso de doble contacto, que es el más utilizado actualmente.

Contenido en SO• 2 > 3%.

Proceso de contacto húmedo — . Se utiliza para el tratamiento de los gases de fusión del molibdeno.

Proceso de contacto simple — . Después de obtener la oxidación del SO3, se pasa a una torre de absorción, donde se consiguen concen-traciones del 99%.

Proceso de doble contacto — . Se produce la combustión del azufre en estado líquido en un horno caldera, a temperaturas entre 900-1800 ºC, que contiene una cámara de combustión y un refrige-rador de gases. Así obtengo el SO2 necesario para la fabricación del sulfúrico.

S + O2 → SO2 + calor


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La conversión del SO2 en SO3 se realiza en cinco etapas de contacto sobre catalizador de pentóxido de vanadio, donde se consigue el SO3.

SO2 + ½ O2 → SO3

Se puede maximizar el rendimiento y producir más SO3, mediante:

refrigeración, con lo que se favorece la formación de SO – 3;

incrementando el O – 2, la reacción se desplaza y produce SO3;

retirada del SO – 3 producido;

incremento de presión; –

catalizador que reduzca la temperatura; –

aumento del tiempo de reacción. –

Posteriormente se realiza una doble absorción del SO3, para obte-ner ácido sulfúrico y óleum.

La eficacia de la primera conversión es de 80-93%, después de una refrigeración, se pasa a una torre de absorción intermedia con ácido sulfúrico de concentración 98,5-99,5%. Esta fase es precedida por una torre de absorción de óleum, que sólo funcio-na para obtener este producto. El SO3 producido, es absorbido en la torre de absorción final, consiguiendo niveles de conversión del 99,6%.

Las etapas son muy exotérmicas, y esta energía calorífica en for-ma de vapor, es recuperada y aprovechada para la producción de energía eléctrica que se utiliza para autoconsumo, en la fusión del azufre y para venta a la red. El proceso de oxidación del azufre y la doble absorción son los procesos de mayor eficiencia energética y sin producción de CO2.

Contenido en SO• 2 < 3%.

Proceso modificado de cámara de plomo — . Se utiliza para gases que contengan SO2 y NOx.

Proceso de H — 2O2. Es un proceso muy caro por el precio del agua oxigenada.


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Azufre sólido Aire

Torre de secado

Tanque fusión

Filtrado

Quemador/caldera Vapor Energía

Oxidación catalítica

SO2

Torre de absorción

Torre de absorciónintermedia

H2SO4

H2SO4

SO2/SO3

SO2

SO3

H2SO4

H2SO4

Torre de absorción final

Gas residual

Oleum

Figura 14.1. Proceso de fabricación del ácido sulfúrico por doble contacto.

Proceso de presión — . La presión es un parámetro que afecta la for-mación de ácido sulfúrico, en las fases de oxidación, ya que des-plaza la reacción hacia los productos. Gran consumo de energía.

Proceso de oxidación inestable — . Se hace pasar al SO2 por un lecho fluidizado, donde se produce la reacción de conversión, generán-dose SO3, en concentración de 0,5 al 3%.


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Procesos de acabado y fin de línea. Los procesos de acabado y fin de línea se pueden dividir en cinco, que serían:

Dilución• . El ácido sulfúrico que se obtiene posee una concentración que varía entre 95,5% y 99.5%, pero hay que diluirlo para su uso co-mercial hasta concentraciones de venta del 80 al 98,5%, pero las más frecuentes son del 92%, 94% y 96%.

Limpiado del SO• 2. Para reducir el SO2, se sopla aire a través del ácido caliente. Este aire se recupera para el proceso, introduciéndolo en los pasos iniciales.

Purificación• . Consiste en la eliminación de impurezas.

Desnitrificación• . Eliminación de los óxidos de nitrógeno.

Decoloración• . Los hidrocarburos o residuos de tipo carbonoso, que son absorbidos por el ácido, provocan que este se presente con un co-lor oscuro, para ello se decolora el producto final.

El producto final se almacena a temperatura ambiente y presión atmos-férica.


El principal consumo del ácido sulfúrico se realiza en la producción de fertilizantes, pero también se utiliza en otras industrias como las refinerías de petróleo, industria papelera, pinturas y pigmentos, en el procesamien-to de minerales y productos químicos como el sulfato de amonio, de cobre y ácidos minerales y orgánicos entre otros.

El ácido diluido con agua se utiliza en la depuración de aceites y ben-zoles, en el decapado de metales y en pilas y acumuladores.

14.3. ÁCIDO FOSFÓRICO


El fósforo presenta una reactividad elevada que hace que se encuentre en la Naturaleza de forma combinada, generalmente, como fosfatos y, en menor medida, formando parte de compuestos orgánicos (ácidos nuclei-cos, fosfolípidos...).


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El ácido fosfórico es un líquido de olor característico, que se encuentra en el mercado con las denominaciones de vía térmica y vía húmeda.

El vía térmica, incoloro, es una disolución de ácido fosfórico (75-85 %) en agua y densidad de 1,60 Kg/l, exento de sulfatos, cloruros y óxidos y contenido en fluoruros, hierro y arsénico menor de 10 ppm.

El ácido vía húmeda, en su variante de «purificado», es de color verde y densidad 1,30 Kg/l. Tiene una composición variable, como se indica en la siguiente tabla para algunos parámetros, expresados en g/l.

P2O5 SiO2 H2SO4 F– MgO CaO Fe Cl– Al2O3 Na

370 1,50 9,50 10,80 7,30 4,85 3,75 0,60 3,50 1,60

El ácido ortofosfórico, H3PO4 es un ácido triprótico relativamente fuer-te en su primera disociación, moderadamente débil en la segunda y muy débil en la tercera.

El ácido ortofosfórico puro es un sólido blanco cristalino que funde a 42,4 ºC, dando un líquido siruposo.

Después de un contacto prolongado con la piel puede provocar ligeras quemaduras y, en casos de ingestión, lesiones en el aparato digestivo. En cualquier caso es mucho menos peligroso que otros ácidos inorgánicos como sulfúrico, nítrico y clorhídrico.

Dada su baja tensión de vapor no irrita los ojos ni las vías respiratorias en las condiciones habituales de manipulación.


Las fuentes principales de fósforo son las rocas fosfáticas del tipo apati-to y fosforita. En general son mezclas de ortofosfatos de calcio con fluoru-ros y cloruros cálcicos, con un 25-35 % de P2O5 que es la forma tradicional de expresar su riqueza en fósforo. Otra fuente secundaria de fosfatos son las acerías, al aparecer en las escorias.

La destrucción por calcinación de la roca fosfórica para producir fósfo-ro elemental supone un coste inasumible para la mayor parte de aplicacio-nes, por lo que se emplea solo en casos en que se requiera gran pureza.


348

Todos los procedimientos de obtención del ácido fosfórico parten del fosfato natural, fosfato tricálcico fluorapatito, que se halla repartido con bastante extensión por todo el mundo.

En el estado actual de la técnica, únicamente tienen valor los yacimien-tos susceptibles de explotación en masa, puesto que el fosfato es un pro-ducto relativamente barato que para alcanzar rentabilidad debe extraerse en grandes tonelajes y mediante una mecanización llevada al límite.


La producción mundial de ácido fosfórico es del orden de veinte millo-nes de toneladas, de las que alrededor del 2 % se producen en España.

El ácido fosfórico que se produce actualmente en el mundo se obtiene por dos procedimientos que se conocen como vía térmica (electrotérmica) y vía húmeda.

La vía electrotérmica consiste en la reducción del mineral, fosfato tri-cálcico, por carbón a alta temperatura, utilizando como fundente cuarzo o sílice. Se produce fósforo elemental, óxido de carbono y una escoria cons-tituida por las impurezas que acompañaban al mineral, fundamentalmente silicato cálcico. El fósforo, a la temperatura del horno eléctrico, se vapori-za y se condensa en la corriente de gas en separadores electrostáticos, pro-duciéndose fósforo blanco en forma líquida.

Cuando el fósforo debe transformarse en ácido fosfórico se quema en una torre de acero inoxidable refrigerada con agua o aire, produciendo pentóxido de fósforo que se absorbe en ácido fosfórico diluido. Por este procedimiento se puede producir ácido que contiene 85 % de ácido orto-fosfórico que suele considerarse técnicamente puro.

Roca fosfática + Calor → P4 + Otros

P4 + 5O2 → 2 P2O5 + 720 Kcal

P2O5 + 3H2O → 2 H3PO4 + 45 Kcal

Los procesos por vía húmeda consisten en el ataque del fosfato roca por un ácido, lo que da lugar a la correspondiente sal de calcio y al ácido fosfórico libre.


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En función del ácido utilizado los procesos por vía húmeda se clasifi-can en tres grupos:

Procesos basados en el ácido sulfúrico.•

Procesos basados en el ácido clorhídrico.•

Procesos basados en el ácido nítrico.•

El ácido sulfúrico es con mucho el más empleado, fundamentalmente porque es el más barato por contenido de ión hidrógeno y porque la peque-ña solubilidad del sulfato cálcico formado facilita la separación del ácido.

De forma resumida, el proceso consiste en tratar el fosfato tricálcico, convenientemente molido (rechazo del 10 % al tamiz de 100 Tyler), con áci-do sulfúrico, con lo que se forma sulfato cálcico y ácido fosfórico. Al mis-mo tiempo se produce la descomposición del fluoruro cálcico, carbonato cálcico y otros componentes que acompañan habitualmente al fosfato.

9CaO · 3 P2O5 · CaF2 + 10H2SO4 + 20H2O → 2HF + 6H3PO4 + 10(CaSO4 · 2H2O)

Los cristales de yeso producidos se separan por filtración y constituyen un residuo de difícil tratamiento, que ha originado no pocos problemas a esta industria.

En la actualidad se trabaja en proceso continuo, de modo que la forma-ción de sulfato cálcico tiene lugar en presencia de cristales de este com-puesto, lo que permite un crecimiento de los mismos y consiguientemente una más fácil filtración. La presencia de un exceso de ácido sulfúrico evita la coprecipitación de fosfato cálcico con el yeso.


Al no resultar tóxico en disoluciones diluidas y tener sabor agradable, comparable a los ácidos de las frutas, se emplea en la fabricación de bebi-das refrescantes carbónicas y, en general, al ser esencial en la alimentación humana y animal (fosfato bicálcico), en la preparación de alimentos que precisan una cierta acidez.

Se usa en el refinado y clarificación del azúcar, en la fabricación de ge-latinas y como conservante de productos enlatados.


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En metalurgia se emplea en revestimientos protectores de metales fé-rreos (fosfatación de metales) y como agente de limpieza y decapado de metales.

La mayor parte del ácido fosfórico producido se emplea en la fabrica-ción de fertilizantes y detergentes

14.3.4.1. Fertilizantes

La neutralización del ácido fosfórico comercial con distintos álcalis da lugar a una gran variedad de productos de gran demanda en el mercado. Entre los álcalis más empleados destacan el amoníaco, el carbonato sódico y los hidróxidos sódico, potásico y cálcico.

Su tratamiento amoniacal da lugar a los fosfatos de amonio, utilizados como fertilizantes y en los que el componente activo puede ser el fosfato monoamónico, el diamónico o una mezcla de ambos, a veces en combina-ción con nitrato o sulfato de amonio.

Por reacción de una mezcla de ácidos fosfórico y sulfúrico con amonía-co se obtienen asociaciones de sales (fosfosulfatos de amonio) con un con-tenido variable de los nutrientes, fósforo y nitrógeno.

Los superfosfatos y el fosfato triple son fertilizantes clásicos de amplio uso, que se obtienen por reacción de la roca fosfórica con ácido fosfórico.

14.3.4.2. Detergentes

El tripolifosfato sódico, obtenido al neutralizar con carbonato sódico el ácido fosfórico comercial, tiene propiedades detergentes. Esto es, actúa al-calinizando el agua, reacciona con los iones calcio y magnesio y ayuda a mantener las grasas y el polvo en suspensión para facilitar su eliminación en el lavado.

El tripolifosfato es el principal ingrediente de los detergentes fosfatados y constituye la base de los agentes limpiadores de tejidos y vajillas. Se emplea como coadyuvante, acompañando a los tensioactivos que disuelven las grasas y las separan del tejido y los blanqueadores como el perborato sódico.

Dado el gran consumo de detergentes, alrededor de 20 Kg/año ∙ habi-tante, es preciso cuidar las formulaciones de detergentes. El tripolifosfato


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lleva empleándose más de setenta años cumpliendo con sus objetivos de la-vado y sin originar daños irreversibles en el medio ambiente, a pesar de los problemas de eutrofización que han podido producirse en ciertas ocasio-nes puntuales. El tripolifosfato es biodegradable, al menos el 90% al cabo de un mes de su vertido, por lo que sus efectos negativos sobre el medio re-ceptor del vertido pueden ser mínimos.

14.4. ÁCIDO NÍTRICO


El ácido nítrico es un ácido inorgánico compuesto por nitrógeno, oxíge-no e hidrógeno, cuya fórmula es HNO3. Es un líquido incoloro, que hierve a 83 ºC y con elevada inestabilidad, por lo que descompone según la reacción:

4HNO3 → 4NO2 + O2 + 2H2O

En consecuencia el ácido nítrico comercial es realmente una disolución al 68 % que se corresponde con el azeótropo ácido-agua y presenta una densidad de 1,42 Kg/l.

Es un ácido fuerte y, como tal, totalmente disociado en disoluciones acuosas. Es un oxidante fuerte que se emplea así en distintas reacciones orgánicas e inorgánicas, y como tal se emplea como decapante y pasivante de metales.


Hasta el primer tercio del pasado siglo la fuente principal de ácido ní-trico era el nitrato sódico natural o nitrato de Chile, ampliamente emplea-do también como fertilizante. A partir de esas fechas esta materia prima fue siendo sustituida por amoníaco.

El amoníaco se obtiene a su vez a partir del nitrógeno atmosférico y del hidrógeno procedente de combustibles fósiles, petróleo y gas natural prin-cipalmente.

Los principales óxidos de nitrógeno, óxido nitroso, óxido nítrico y dióxi-do de nitrógeno no se obtienen con facilidad de fuentes naturales y en con-


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secuencia no constituyen materia prima para, por similitud con el ácido sulfúrico, producir ácido nítrico. Con todo podría obtenerse ácido nítrico por absorción y reacción con agua de los óxidos de nitrógeno. Estos proce-sos no tienen aplicaciones industriales en la actualidad y solo se emplean para eliminar los NOx generados en otras instalaciones industriales, como consecuencia de la obligación de limitar sus emisiones a la atmósfera.


Como se ha comentado la obtención de ácido nítrico por ataque con ácido sulfúrico de nitrato de Chile, como materia prima natural, hoy no re-sulta competitiva.

NaNO3 + H2SO4 → HNO3 + NaHSO4

La presencia de nitrógeno en el aire (79 %) se contempló siempre como la principal fuente de este elemento y de todos sus derivados. Sin embargo la dificultad de fijarlo con oxígeno formando NO ha resultado hasta hoy in-viable por el gran aporte energético que precisa y por la elevada inestabili-dad del NO formado, que supone un autentico reto de ingeniería.

Uno de los pasos que podemos considerar transcendentales de la indus-tria química, junto a la producción de carbonato sódico, es la síntesis del amoníaco a partir del nitrógeno atmosférico (1912, síntesis de Haber).

N2 + H2 → 2NH3 + 24 Kcal/mol

Las condiciones de operación, temperaturas de unos 500 ºC, presiones de 150 atm., catalizadores de hierro y potasa soportados sobre óxidos re-fractarios, constituyen un reto para conseguir unos rendimientos asumi-bles en el conjunto del proceso, que básicamente responde a la compresión de los gases, una unidad de catálisis, absorción del amoníaco formado y recirculación de los gases no transformados.

Toda la producción actual de ácido nítrico se realiza por oxidación en fase gaseosa del amoníaco con aire (método de Ostwald) sobre un cataliza-dor heterogéneo, en base a platino-rodio, hasta dar óxido nítrico. La poste-rior oxidación del NO obtenido produciría dióxido de nitrógeno que puede ser absorbido en agua para dar ácido nítrico y en menor medida ácido ni-


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troso. Este ácido nitroso se oxida con más oxígeno a ácido nítrico. El ácido final obtenido suele ser de alrededor de un 55-60 % de ácido nítrico, que frecuentemente es preciso concentrar hasta el 68% al menos.

Dependiendo de la proporción amoníaco/oxígeno los productos obteni-dos son diferentes, N2, NO y NO2.

2NH3 + 3/2 O2 → N2 + 3H2O + 75 Kcal/mol

2NH3 + 4/2 O2 → N2O + 3H2O + 63 Kcal/mol

2NH3 + 5/2 O2 → 2 NO + 3H2O + 53 Kcal/mol

Las dos primeras reacciones pueden neutralizarse evitando las tempe-raturas altas (700 ºC) y empleando catalizadores que dificulten la aparición de N2O como los de platino citados.

La reacción global es

NH3 + 2 O2 → HNO3+ H2O

Al influir la presión sobre las reacciones de oxidación y de absorción las plantas se caracterizan por la presión de operación (6-8 atm) de ambas reacciones. El objetivo es conseguir una elevada concentración de ácido nítrico, a la vez que se minoran los óxidos de nitrógeno residuales.

A pesar de los altos rendimientos conseguidos hoy en la absorción (99%) se origina un gas residual formado principalmente por nitrógeno (95%), va-por de agua, oxígeno y óxidos de nitrógeno que es preciso depurar y apro-vechar su calor enfriando el quemador y expandiéndolo en una turbina que recupere algo de la energía consumida en el compresor de gases.

Este gas residual ha originado no pocos quebraderos de cabeza a los responsables de planta por su característico color anaranjado que propor-ciona a los penachos de salida de las correspondientes chimeneas.


Por su contenido en nitrógeno se emplea como base de los fertilizantes en general como nitratos, obtenidos por neutralización del ácido, o bien como amoníaco y derivados. Los más usados son el nitrato amónico, la urea y el amoníaco anhidro.


354

El nitrato amónico se obtiene al hacer reaccionar al ácido nítrico con amoníaco. El producto se emplea además como explosivo.

La urea (NH2-CO-NH2) se obtiene por reacción del amoníaco con anhí-drido carbónico.

Gran parte del nitrógeno aportado no llega a la planta al perderse por fil-tración en el suelo, por volatilización y por fijación del amoníaco en el suelo. La solución a dichas pérdidas radica en el aporte de menores cantidades de fertilizantes nitrogenados con mayor frecuencia, o bien consiguiendo abo-nos de liberación lenta. Estos aportan el nitrógeno progresivamente, por lo que las pérdidas se reducen de forma considerable. Los abonos de liberación lenta además, presentan el inconveniente de su elevado costo por unidad de nitrógeno contenido, lo que implica un uso muy restrictivo.

La hidracina (N2H4) empleada como combustibles de reactores y satéli-tes es un derivado del nitrógeno que se obtiene por reacción del amoníaco con hipoclorito sódico.

Otros productos derivados se obtienen por nitración de compuestos or-gánicos, originando explosivos muy potentes como la nitroglicerina, el tri-nitrotolueno o la pentaeritrita.

14.5. ÁCIDO CLORHÍDRICO


El ácido clorhídrico es un ácido inorgánico compuesto de cloro e hidró-geno cuya fórmula es HCl.

Se puede encontrar en diferentes estados:

gas licuado (cloruro de hidrógeno);•

soluciones acuosas de diferentes concentraciones (ácido clorhídrico). •

El ácido clorhídrico a temperatura ambiente es un gas incoloro o ligera-mente amarillo con olor fuerte. En contacto con el aire forma vapores den-sos de color blanco debido a la condensación con la humedad atmosférica.

Cuando está en estado acuoso (ácido clorhídrico) sus características de-penden de la concentración. Así en bajas concentraciones resulta inodoro,


355

mientras a concentraciones elevadas presenta un olor fuerte con despren-dimiento de vapores corrosivos que pueden causar irritaciones (>5 ppm).

Comercialmente existe como:

Gas anhidro.•

Soluciones acuosas ácido clorhídrico:•

33% y 37% de cloruro de hidrógeno; —

incoloras aunque pueden contener trazas de hierro, cloro e impu- —rezas orgánicas que le den un ligero color azul o amarillo;

no combustible. —

Propiedades físicas

Propiedad Valor

Peso molecular 36.46 g/mol

Densidad (Agua=1) 1.184 kg/L a 20 ºC

pH0.1 (solución acuosa 1N a 20 ºC)1.1 (solución acuosa 1N a 20 ºC)

Densidad del vapor (aire = 1) 1.27

Presión de Vapor100 mg Hg a 20 ºC (solución acuosa al 35%)158 mg Hg a 20 ºC (solución acuosa al 37%)

Punto de Ebullición –85 ºC

Punto de Fusión –115 ºC

SolubilidadCompletamente soluble en agua. Muy soluble en alcoholes. Solubles en éter y benceno. Insoluble en hidrocarburos.

Inflamabilidad No inflamable

Propiedades químicas

El gas anhidro no es corrosivo, si bien la solución acuosa es un ácido muy fuerte y ataca a casi todos los metales (excepto: mercurio, plata, oro,


356

platino, tantalio y algunas aleaciones) liberando hidrógeno. Frente a sulfu-ros forma cloruros y sulfuro de hidrógeno.

Se puede obtener ácido silícico al descomponer zeolitas, escorias y otros materiales silíceos y al reaccionar con carbonatos básicos libera CO2 y agua.

A pesar de ser un compuesto muy estable se descompone cuando se so-mete a altas temperaturas, dando lugar a hidrógeno y cloro. Y al mezclarse con agentes oxidantes fuertes genera cloro.


El ácido clorhídrico se puede obtener por tres métodos basados en las siguientes combinaciones:

Cloro + hidrocarburos: R-H + Cl• 2 → R-Cl + HCl.

Cloruro de sodio (NaCl) + ácido sulfúrico (H• 2SO4).

Hidrógeno (H• 2) + cloro (Cl2).

En cualquiera de los casos la fuente de cloro principal es el agua de mar, con alrededor del 3 % de NaCl, seguida de las minas de sal.


A comienzos del siglo veinte, el ácido clorhídrico se convierte en un producto muy utilizado, como ácido solo superado por el sulfúrico, por lo que este interés comercial llevó al desarrollo de diferentes procesos de ob-tención, que se utilizan en la actualidad. Hay tres procesos principales:

Como subproducto en la cloración de hidrocarburos aromáticos y • alifáticos.

Reacción entre sal y ácido sulfúrico.•

Combustión de hidrógeno y cloro.•

Actualmente, la mayoría del ácido clorhídrico se obtiene absorbiendo el cloruro de hidrógeno liberado en la producción industrial de compuestos orgánicos.


357

14.5.3.1. Proceso de sal y ácido sulfúrico

En este proceso el cloruro de sodio (NaCl) y el ácido sulfúrico se hacen reaccionar, obteniéndose cloruro de hidrógeno y sulfato de sodio (Na2SO4).

2 NaCl + H2SO4 → Na2SO4 + 2 HCl

Las reacciones que implican la producción del ácido son endotérmicas.

Industrialmente se hace reaccionar el cloruro sódico con ácido sulfúri-co concentrado en grandes retortas de hierro colado. La reacción se lleva a cabo en dos fases: la primera se desarrolla a temperatura relativamente baja, produciéndose bisulfato sódico (NaHSO4) y ácido clorhídrico (HCl). En la segunda fase, la mezcla de NaHSO4 y NaCl se lleva a una retorta, donde se calienta produciéndose la segunda reacción:

NaCl + H2SO4 → NaHSO4 + HCl

NaCl + NaHSO4 → Na2SO4 + HCl

Así se obtiene más ácido clorhídrico, y queda como residuo sulfato só-dico. Se debe disolver el gas obtenido en el agua para conseguir los distin-tos productos comerciales.

14.5.3.2. Proceso sintético

Consiste en la combustión de una mezcla controlada de cloro e hidrógeno.

H2 (g) + Cl2 (g) → 2 HCl (g)

H2O + HCl (g) → HCl (aq)

La pureza del ácido producido depende de la pureza del hidrógeno y del cloro. Al poder obtener estos gases en estado muy puro como subpro-ducto en la obtención de la sosa caústica mediante electrólisis, el producto resultante es el más puro de todos los procesos.

Es una reacción muy exotérmica y desplazada a la derecha en cuanto comienza. En el equilibrio el contenido de cloro libre es de un 4%(v/v). Al


358

enfriar los gases este cloro libre y el hidrógeno libre se combinan rápida-mente, por lo que casi se tiene HCl puro cerca de los 200 ºC, siendo posible obtener un gas con 99% de HCl.

El cloruro de hidrógeno puede purificarse adicionalmente por absor-ción en agua.

14.5.3.3. Cloruro de hidrógeno como subproducto

La cloración de muchos productos orgánicos genera cloruro de hidró-geno como subproducto.

Hay dos pasos básicos en la obtención como subproducto:

la eliminación del hidrocarburo sin clorar;•

absorción del ácido clorhídrico en agua.•

Como ejemplo se destaca la cloración de metano y benceno.

C6H6 + Cl2 → C6H5Cl + HCl

El cloruro de hidrógeno producido a partir de reacciones de cloración puede estar contaminado con cloro, aire, productos orgánicos clorados, reactantes en exceso y humedad, dependiendo del proceso por lo que debe establecerse una fase de operaciones de purificación.

Una vez generado, el cloruro de hidrógeno se trata en varios pasos, que pueden incluir la eliminación de sólidos suspendidos, enfriamiento, absor-ción, desorción o licuefacción. El tratamiento exacto depende de la compo-sición y la temperatura del gas y de la composición y naturaleza del producto.

El gas anhidro se puede generar de manera indeseada por la combus-tión de muchos plásticos además de encontrarse en la atmósfera y de ma-nera natural en erupciones volcánicas y gases de fumarolas.


Tanto el ácido clorhídrico como sus derivados, cloratos, percloratos, cloritos e hipocloritos, tienen numerosos usos. Por ejemplo en:


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El decapado y limpieza de metales en la industria metalúrgica. Se • utiliza en lugar del ácido sulfúrico porque reacciona más rápido con el óxido y ataca menos la base metálica.

La eliminación de depósitos e incrustaciones en los sistemas de inter-• cambio de calor.

Los procesos de obtención de sílice activada, cloruros metálicos, clo-• ruro de amonio, dióxido de cloro, colorantes nitrogenados.

La neutralización de aguas residuales.•

La producción de agua desmineralizada, para efectuar control del pH.•

La producción de glucosa a partir de harina de maíz y de glutamato • de sodio.

Preparación de limpiadores domésticos, como el llamado ácido mu-• riático (HCl) para la limpieza de pisos, baldosas, azulejos, granitos y paredes.

Reactivo para la elaboración de colorantes y tintas. •

Agente blanqueador de grasas y aceites. •

Reactivo para la elaboración de fertilizantes.•

14.6. OTROS ÁCIDOS

14.6.1. Ácido carbónico

Es un ácido oxácido, que se forma al combinarse un óxido ácido con agua, que proviene del dióxido de carbono (CO2), y responde a la fórmula química H2CO3.

CO2 + H2O → H2CO3

Su estado de agregación es líquido, de apariencia incolora; en la natu-raleza, se encuentra en la atmósfera, disuelto en aguas de manantial, y en zonas volcánicas. Es reactivo con la calcita (rocas) a las que descompone en bicarbonato sódico.

La producción industrial del ácido carbónico, pasa por la obtención del CO2, que se realiza con diversos métodos. En el proceso Girbotol, se absor-be el CO2, utilizando etanolamina, (otros métodos utilizan un álcali)


360

En el caso de que el ácido se obtenga desde un proceso de fermenta-ción, el dióxido de carbono se trata en un depurador húmedo y con carbón activado, para después pasarlo a un compresor.

La fácil descomposición del ácido carbónico en presencia de agua, hace difícil su obtención en estado puro.

Aplicaciones. Industrialmente se usa de forma gaseosa, en la fabrica-ción de bebidas carbónicas, donde se consigue inyectando CO2 en agua a alta presión, en la industria química y soldadura de arco.

Su utilización como líquido, se puede encontrar en los equipos de ex-tinción de incendios, cámara de refrigeración, y en forma sólida, lo pode-mos encontrar como hielo seco o nieve carbónica, utilizándose como refri-gerante e incluso para alimentación.

14.6.2. Ácido fluorhídrico

El ácido fluorhídrico, es un compuesto químico formado por hidrógeno y flúor, cuya fórmula química responde a HF.

Se encuentra en estado líquido y posee una apariencia incolora, no in-flamable y completamente soluble en agua.

Densidad 1,14 g/cm3

Punto de ebullición 66 ºC*

Punto de fusión –83,15 ºC*

* Valores medios dependiendo de la concentración de la disolución.

Su reactividad es alta con ciertos metales, produciendo hidrógeno, y con muchas sustancias su reacción es exotérmica, llegando a reaccionar violentamente con el agua.

La producción de flúor elemental, además de ser muy costosa, tiene un uso limitado. En cambio, la mayor producción tiene que ver con el ácido fluorhídrico, tanto anhidro como acuoso.

La producción de fluorhídrico, en sus dos formas, responde a la reac-ción:

CaF2 (espatoflúor) + H2SO4 → CaSO4 + 2HF


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La reacción del espatoflúor o fluorita con el ácido sulfúrico es una reac-ción de tipo endotérmica que se produce en hornos a 250 ºC.

Aplicaciones. Se utiliza en la purificación de óxidos de aluminio y ura-nio, para quitar óxidos superficiales del silicio utilizado en la industria de semiconductores.

Dentro de la fabricación de productos químicos, se utiliza en la síntesis de compuestos orgánicos como el teflón y refrigerantes como el freón. Es corrosivo con el vidrio, por lo que es habitual su uso en decoración. Por esta misma razón, ataca al cemento y cerámicas y metales que contengan sílice.

14.6.3. Ácido cianhídrico

El cianuro de hidrógeno es un ácido cuya fórmula es HCN, que se pue-de encontrar en estado gaseoso (cianuro de hidrógeno) o como disolución acuosa (ácido cianhídrico).

El ácido cianhídrico puro es un líquido incoloro, con cierto olor amar-go, muy venenoso y altamente volátil. El cianuro de hidrógeno es ligera-mente ácido y sus sales son conocidas como cianuros.

Densidad 0.7 g/ml

Punto de ebullición 26 ºC*

Punto de fusión –13 ºC*

* Valores medios dependiendo de la concentración de la disolución.

Producción. Es producido en grandes cantidades por la industria quí-mica mediante dos procesos: deshidratación de formamida u oxidación de NH3 con hidrocarburos (fundamentalmente metano).

El proceso más importante es la oxidación Andrussov, en la que el me-tano y el amoníaco reaccionan en presencia de oxígeno a una temperatura de 1200 °C. Generalmente se emplea el platino como catalizador:

2 CH4 + 2 NH3 + 3 O2 → 2 HCN + 6 H2O

La energía necesaria para la reacción es proporcionada por la oxida-ción parcial de metano y amoniaco.


362

Otro procedimiento similar es el proceso Degussa. La diferencia es la ausencia de oxígeno, por lo que la energía debe ser transferida indirecta-mente a través de la pared del reactor:

CH4 + NH3 → HCN + 3H2

En la deshidratación de formamida, ésta es calentada dividiéndose en cianuro de hidrógeno y agua:

HCONH2 → HCN + H2O

Se pueden producir pequeñas cantidades de ácido cianhídrico, en el la-boratorio, añadiendo ácidos sobre sales de cianuro de los metales alcalinos:

H+ + NaCN → HCN + Na+

Esta reacción puede producir envenenamientos accidentales porque el ácido convierte la sal de cianuro en HCN gaseoso.

También se puede obtener como subproducto en la obtención de acrilo-nitrilo por amonoxodación de propano.

Aplicaciones. El ácido cianhídrico es utilizado en tintes, explosivos, producción de plásticos, etc.

El ácido cianhídrico es empleado en la producción de ácido láctico, que a su vez tiene múltiples aplicaciones en la industria alimenticia, química, cosmética, etc.


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1. Comentar mediante un diagrama auxiliar el proceso de obtención de ácido sulfúrico a partir de piritas

2. Indicar las razones de emplear el ácido sulfúrico como agente general de ataque para la producción de otros ácidos.

3. Ventajas e inconvenientes de los procesos vía húmeda y vía seca para la producción de ácido fosfórico.

4. Proponer un diagrama de bloques para la producción de ácido fosfóri-co comercial.

5. Proponer un diagrama de bloques para la obtención de ácido nítrico a partir de amoníaco.

6. Razone la posibilidad de producir ácido clorhídrico a partir de produc-tos de la litosfera.

7. Justifique la posibilidad de emplear la roca fosfática como fuente de fluor.

Tema 15

Materiales de construcción: productos cerámicos, yesos y cales

15.1. Introducción

15.2. Arcilla: composición y propiedades

15.3. Elaboración de las cerámicas (tratamiento de la arcilla)

15.4. Productos cerámicos empleados en la construcción

15.4.1. Ladrillo15.4.2. Tejas15.4.3. Gres15.4.4. Azulejos15.4.5. Materiales refractarios

15.5. Otros materiales de construcción: materiales conglomerantes

15.5.1. Cal: composición y propiedades15.5.2. Proceso de obtención de la cal15.5.3. Aplicaciones de la cal15.5.4. Yeso: composición y propiedades15.5.5. Proceso de obtención del yeso15.5.6. Aplicaciones del yeso en la construcción


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OBJETIVOS

Se plantea como objetivo general conocer los materiales inorgánicos más habi-tuales en su empleo en construcción, así como conocer sus principales carac-terísticas que les hacen imprescindibles en su campo de aplicación.

En concreto se fijan como objetivos:

Conocer la composición y propiedades de la arcilla de cara a su empleo para • la fabricación de materiales cerámicos.

Conocer las operaciones industriales de preparación de la arcilla.•

Entender los problemas que pueden aparecer en la cocción de la arcilla.•

Establecer consideraciones sobre los hornos de secado y de cocción.•

Conocer los productos cerámicos empleados en construcción y las propieda-• des de cada uno en función de su destino en obra.

Conocer las características de la cal como material de construcción y su pro-• ceso de obtención.

Conocer la composición de los yesos, sus características como mortero y su • proceso de obtención.

Comprender las reacciones que se producen en la obtención del yeso y en su • fraguado.

RESUMEN

El estudio de los materiales de construcción parte del estudio de su ma-teria prima básica, la arcilla, indicando su composición, propiedades y tra-tamiento.

Establecida la forma de trabajo con arcillas se indican los productos ce-rámicos empleados en construcción, desde ladrillos, tejas y gres, a azulejos y materiales refractarios.


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Como materiales conglomerantes o de agarre se describen las cales y los yesos, estableciendo en cada caso sus productos de partida, sus propiedades y sus procesos de obtención. En ambos casos se señalan las dificultades de su elaboración dado el bajo valor añadido que adquieren los productos finales y el necesario gasto en el acondicionamiento de la materia prima y en con-seguir una cocción homogénea en los correspondientes hornos.

15.1. INTRODUCCIÓN

Debido a las grandes cantidades de materiales de construcción que se emplean hoy en día, el hombre tiende a emplear aquellos que provienen de materias primas abundantes y baratas. Por ello, la mayoría de los materia-les de construcción se elaboran a partir de materiales de gran disponibili-dad como la arena, la arcilla o la piedra.

Por otra parte es conveniente que sus procesos de elaboración no sean demasiado complejos ni consuman demasiada energía. Ya que ésta es la causa de que, por ejemplo, el vidrio sea considerablemente más caro que el ladrillo, proviniendo ambos de materias primas tan comunes como la are-na y la arcilla, respectivamente.

En muchos de estos productos es fundamental determinar hasta que punto los materiales pueden cumplir con el fin para el que fueron fabricados y afrontar el desgaste provocado por el tiempo y el uso, debiendo cumplir con determinados requisitos como ser duraderos, tener una determinada dureza, resistencia mecánica, resistencia al fuego, facilidad de limpieza, etc.

En base a lo mencionado, y desde la antigüedad, se emplea la arcilla como material de construcción, siendo la principal materia prima de los materiales cerámicos.

El uso de los materiales cerámicos está muy extendido en la actualidad, no sólo en la construcción sino también en la fabricación de recipientes y objetos de decoración entre otros.

15.2. ARCILLA: COMPOSICIÓN Y PROPIEDADES

La arcilla, cuya fórmula química genérica puede representarse como (Al2O3 · 2SiO2 · H2O), está formada por materiales muy finos provenientes de la descomposición de las rocas sedimentarias que contienen alúmina y sílice.

MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN: PRODUCTOS CERÁMICOS, YESOS Y CALES

369

Composición media de la arcilla

39.5% Alúmina (Al2O3)

46.56 % sílice (SiO2)

13.95% agua (H2O)

La parte mayoritaria de toda arcilla son los distintos minerales arcillo-sos sin embargo puede contener otros minerales, como cuarzo, calcita (CaCO3), limonita (Fe2O3 H2O), yeso (Ca SO4 ∙ 2H2O) y mica, y algunas im-purezas como óxidos de hierro, óxidos de calcio y óxidos de magnesio. Los dos minerales principales más característicos de la arcilla son la caolinita y la montmorillonita.

Las características que la hace tan valiosa en la industria son su plasti-cidad al ser mezclada con agua y su transformación en un material duro, cuando es calentado por encima de los 800 ºC, que suele adquirir consis-tencias vítreas, resistentes a la acción de los agentes físicos y químicos.

La arcilla es la base para la formación de los materiales cerámicos. Es-tos últimos además de por arcilla están compuestos de:

Desgrasantes, materiales no plásticos que reducen la plasticidad, re-• duciendo la contracción y facilitando la salida del agua de la pieza, como pueden ser las arenas o sílice.

Fundentes, que favorecen la vitrificación al reducir el punto de fu-• sión. Como feldespatos, micas, cal, fosfatos.

Agua, que favorece la mezcla.•

Colorantes.•

Durante su elaboración pueden ser sometidos a altas temperaturas (> 1200 ºC).

Propiedades de las cerámicas:

Dureza.•

Fragilidad.•

Resistencia elevada a la corrosión y la temperatura.•

Resistencia al ataque químico a altas temperaturas.•


370

Plasticidad.•

Capacidad de adsorción.•

Capacidad de intercambio iónico.•

Dilatación (menor que los metales).•

Conductividad (en función del material).•

En general las propiedades físicas, como la conductividad o la densi-dad, dependen de la propia naturaleza del material cerámico.

15.3. ELABORACIÓN DE LAS CERÁMICAS (TRATAMIENTO DE LA ARCILLA)

La elaboración de los materiales cerámicos consta de cuatro fases fun-damentales: la extracción, la preparación, el secado y la cocción.

El proceso general se desarrolla según el siguiente esquema:

Cocción900ºC - 1600ºC

Prospección del yacimientoExtracción de la arcilla

DesbastePulverizaciónDosificación y mezcladoMoldeo

Materia primaObtención

Preparación del material

SecadoGradual

Reducción agua al 5%

Diagrama 1. Fases de la elaboración de productos cerámicos.


371

Obtención de la materia prima:

Consta de dos fases:

Estudio de las características del terreno.a)

Extracción del material, para lo que existen dos métodos:b)

Mediante procesos mecánicos (ej. Máquina excavadora).•

Mediante voladura (terrenos duros).•

Preparación del material. Esta es la fase más laboriosa. Dependien-do del proceso de fabricación pueden requerirse unos tratamientos pre-vios o no.

Estos tratamientos previos son:

Meteorización. Consiste en someter a la arcilla a un lavado, por agua de lluvia o regado, con el fin de disolver y eliminar determinadas sustan-cias, además de disminuir el tamaño de los bloques de terreno arrancados en la extracción.

Pudrición. Se deja la arcilla húmeda en ausencia de luz y de circula-ción de aire para que, mediante la pudrición, pueda formar un aglomeran-te entre las partículas de manera que se aumenta el tamaño de las mismas y se obtenga mayor plasticidad.

La parte principal de esta etapa es la preparación de la pasta, en ella se mezclan la arcilla, los desgrasantes y el agua siguiendo los siguientes pasos:

Desbaste.1. Es el proceso mediante el que se eliminan sustancias in-deseadas (sales solubles, nódulos de cal, etc) que puedan dificultar el tratamiento posterior o incluso rebajar la calidad del producto.

Pulverización.2. Reducir a polvo la arcilla mediante trituración, o molienda por impacto (molino de barras o bolas).

Dosificación y mezclado.3. En este proceso se le añade a la arcilla to-dos los aditivos deseados: el desgrasante, el agua y demás auxiliares de procesamiento, para posteriormente llevar a cabo el mezclado. Es fundamental que la cantidad de agua sea la justa para que el mez-clado sea perfecto y que esté apto para resistir los procesos físicos y químicos a los que serán sometidos.


372

Moldeo.4. Se trata de darle la forma deseada a la pieza, teniendo en cuenta que esta se contrae en la cocción. Se puede realizar a mano, método un poco antiguo casi reservado a piezas de alfarería, o me-diante una máquina. El moldeo industrial puede ser de dos tipos:

Moldeo por prensa.• Para pastas secas como las tejas.

Moldeo por colada.• Empleando moldes de yeso para darle la for-ma, como es el caso de la loza o el gres.

DESGRASANTESArena, ladrillo molido,

ceniza

ARCILLAsin tratar

(de la cantera)

ARCILLA

DESBASTESales solublesNódulos de cal

etc

PULVERIZACIÓN

POLVOARCILLA AGUAFUNDENTES

Cal, feldespato

MEZCLADO

PASTAARCILLA

MOLDEO

COLORANTESPigmentos, silicatos

de circonia

Diagrama 2. Fases de preparación de la materia.

Secado. El objetivo es eliminar parte del agua, reduciendo la propor-ción a un 5%, esto es necesario para que la cocción del cuerpo cerámico se realice adecuadamente. El secado debe ser gradual para evitar tensiones internas que puedan producir roturas.


373

El aire del lugar de secado debe ser seco, caliente y debe renovarse constantemente.

La etapa de secado puede ser de dos formas:

Natural• . Donde el producto es llevado a la intemperie y colocado de forma que circule el aire, con un tiempo de entre cinco y ocho días. Con este sistema la velocidad de secado depende mucho de las condi-ciones ambientales.

Artificial• . Proceso en el cual se hace circular aire caliente por medios mecánicos, con un tiempo de 24 a 72 horas en locales cerados.

La ventaja de este método es la posibilidad de secado continuo du-rante todo el año, además el secado es más uniforme y se producen menos rechazos en los controles de calidad.

Durante el secado se observa:

Una disminución del volumen de la pasta, proporcional al agua eli-• minada.

Formación de huecos y contracción de la pasta.•

Los huecos que se producen son proporcionales al agua eliminada.•

Esto es debido a que la plasticidad de la arcilla viene dada por una pelícu-la de agua que separa las partículas, lo que permite el deslizamiento entre ellas. Al desaparecer el agua las partículas se acercan y el volumen disminuye.

Cuando el secado se realiza en un secadero caliente, la superficie se ca-lentará antes que el interior, con lo que el agua va de la superficie al inte-rior, aumentando las diferencias de humedad entre esas zonas.

Para evitar este fenómeno, hay que mantener una humedad relativa alta dentro del secadero, muy próxima al punto de rocío, pero mantenien-do el ambiente a la máxima temperatura de forma que el secado no co-mience hasta que toda la pieza haya alcanzado la misma temperatura.

Cocción. La arcilla moldeada y seca entra a los hornos de cocción, don-de se produce una sinterización intensa de la arcilla, y una vitrificación adecuada, dándole la forma permanente y las propiedades exigidas. Cual-quier defecto de las fases de fabricación anteriores se manifestará y poten-ciará durante la cocción.


374

Características del proceso:

elevadas temperaturas (entre 900 ºC a 1600 ºC);•

tiempo de cocción 6-8 horas;•

las temperaturas y la dosificación del calor se seleccionan en fun-• ción de:

el tipo de arcilla; —

las características del producto que se quiere. —

Etapas de cocción:

0 a 400ºC

400 a 600ºC

600 a 900ºC

900 a 1600ºC

Eliminación humedad

Eliminación agua combinadaContracción del materialAumento porosidad

Formación de silicatosCristalización de silicatos

Vitrificación del material

La vitrificación es la parte fundamental de la cocción, éste es el mo-mento en el que la temperatura de cocimiento es suficiente para fundir to-dos los granos y cerrar todos los poros, volviendo la masa impermeable.

A su vez esto convierte a la temperatura de cocción en un parámetro muy importante, ya que a mayor temperatura de cocción mayores serán:

Resistencia mecánica.•

Dureza superficial.•

Compactación.•

impermeabilidad.•


375

Esta temperatura será diferente según el producto que se quiera obtener:

900 a 1000 ºC → ladrillos, tejas…

1000 a 1300 ºC → gres, loza sanitaria…

> 1300 ºC → porcelana, productos refractarios…

Para realizar la cocción hay dos tipos de hornos:

Hornos discontinuos. En estos hornos el producto realiza el ciclo com-pleto de cocción en su interior. Es decir, el proceso es el siguiente:

El producto se introduce con el horno frío.1.

Se va elevando la temperatura progresivamente.2.

Cuando termina la cocción se realiza el enfriamiento.3.

Sale el producto del horno.4.

Aire Caliente

EnfriamientoAlimentación

Zona deSecado

En este proceso hay mucha variabilidad, entre otras cosas influenciada por la posición en el horno pero es posible adaptarse a cada caso particular.

Hornos continuos. El horno siempre está en combustión y existen tres zonas diferenciadas:

Precalentamiento.1.

Cocción.2.

Enfriamiento.3.

La diferencia está en si son las piezas o el fuego las que avanzan ha-biendo dos sistemas:


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Hornos túnel• . El fuego está fijo y las piezas se deslizan por la zona de fuego. Tiene tres cámaras, una para cada fase. En la cámara de pre-calentamiento circula aire caliente proveniente de la cocción que circula en sentido contrario a las piezas, eliminando humedad y ele-vando progresivamente la temperatura del material. Los quemadores de combustible se encuentran en una segunda cámara, donde las pie-zas son sometidas a altas temperaturas. Y en una tercera etapa se produce un enfriamiento progresivo.

Horno Hoffman• . Las piezas están estáticas y el fuego avanza hacia ellas. El funcionamiento de estos hornos es similar a los de túnel, po-seen cámaras diferenciadas, sin embargo en este caso son los quema-dores los que se desplazan de una a otra.

En general la ventaja respecto a los hornos discontinuos es el mayor aprovechamiento energético.

En ambos casos el combustible puede entrar o no en contacto con las piezas, consiguiéndose menores impurezas en el último caso.

15.4. PRODUCTOS CERÁMICOS EMPLEADOS EN LA CONSTRUCCIÓN

La aplicación de los productos cerámicos es muy amplia, tanto en la construcción (al que se dedica cerca de un 90% de la producción de arci-lla) como en otros sectores como puede ser la tecnología, la fabricación del papel o la alfarería, generalmente gracias a su plasticidad.

Dentro de la construcción también tiene diferentes aplicaciones: ele-mento estructural, revestimiento o decorativo.

En función de su acabado podemos encontrar los siguientes productos:

PRODUCTOS CERÁMICOS

POROSOS: pequeños poros superficiales (ladrillos, tejas, bovedillas)

SEMICOMPACTOS: compacidad no completa, impermeables (gres)

COMPACTOS: compacidad elevada (loza , porcelana)

VITRIFICADOS: impermeable, vítrea, superficie esmaltada brillante (azulejos)


377

15.4.1. Ladrillo

Los ladrillos son pequeñas unidades de construcción, con forma octaé-drica, formado por una base de arcilla endurecida por la acción del calor, y que pueden ser sólidos o contener más del 25% de huecos.

Su temperatura de cocción está entre los 900 y los 1000 ºC y de esta depende su absorción y su resistencia a la compresión. Cuanto mayor es la temperatura de cocción menor es la absorción y mayor la resistencia a la compresión.

Existen diferentes formatos de ladrillo aunque en general son de un ta-maño que permita que se manejen con una mano.

Se utilizan en construcción en cerramientos, fachadas y particiones, ge-neralmente para formar muros o tabiques.

Los ladrillos presentan un color rojizo y la superficie puede presentar diferentes aspectos:

Acabado liso o terso: superficie plana.•

Superficie escariada: superficie acanalada que aumenta la adhesión • al mortero.

Superficie peinada: con un rayado paralelo que puede aumentar la • adhesión al mortero o simplemente proporcionar una textura deter-minada.

Acabado rugoso: la superficie está completamente rayada (rayado • cruzado), aumentando la adhesión.

Su acabado puede ser:

Natural• : sin vidriado ni recubrimiento ninguno.

Vidriados cerámicos:• con recubrimientos vítreos compuestos que se funden sobre la superficie (ladrillo visto).

Podemos relacionar tres tipos de ladrillos:

Macizo:1. totalmente macizo o con taladros en tabla, de volumen no superior al 10%. La mayoría de los macizos se utilizan como ladri-llos vistos.


378

Perforado:2. con perforaciones en la tabla de volumen superior al 10 %. Se utilizan principalmente para cerramientos (cara vista) y muros de carga.

Hueco:3. con taladros en canto o testa. Utilizado en tabiques y cerra-mientos.

La resistencia a la compresión no debe ser inferior a 50kg/cm2 para los huecos ni menor de 100kg/cm2 para los macizos y los perforados.

La ventaja de los huecos es el menor coste tanto de material como de consumo de energía, sin embargo se pierde en resistencia.

15.4.2. Tejas

Las tejas son piezas destinadas a la cobertura de edificios debido a su carácter impermeable.

Son piezas cocidas a una temperatura de entre 900 y 1000 ºC y el mol-deo se realiza por prensa comprimiendo pastas secas a gran presión.

Hay una gran variedad de tejas en función de su forma:

Curva o árabe.•

Plana sin encajes.•

Plana con encajes.•

Alicantina.•

Mixta.•

Doble teja.•

15.4.3. Gres

El gres es un material cerámico hecho con arcillas de muy buena cali-dad cuya masa es compacta y no porosa. Estas arcillas son capaces de vi-trificar a bajas temperaturas, siendo la temperatura en la cocción de 1000 a 1300 ºC.


379

Los productos de gres son de gran compacidad, impermeables y muy resistentes a los ácidos y al desgaste.

Durante la cocción se espolvorean las piezas en el horno con cloruro só-dico, lo que produce sobre la superficie de las piezas una capa de esmalte.

Son útiles para funciones de protección, revestimiento, estética y deco-ración, por lo que se suele aplicar en depósitos o zonas que están en con-tacto con zonas corrosivas.

15.4.4. Azulejos

El azulejo es un material cerámico de espesor fino que consta de dos capas, una gruesa de arcilla seleccionada y otra fina de esmalte que recu-bre una de las caras. Esta capa le proporciona impermeabilidad, resisten-cia al desgaste y un aspecto estético agradable, por lo que es apropiado para el uso en lugares donde la limpieza sea fundamental y habitual. Úni-camente la capa con esmalte es impermeable.

Es frecuente su uso como revestimiento en cocinas, baños, tuberías de saneamiento para sustancias químicas agresivas

15.4.5. Materiales refractarios

Los materiales refractarios son aquellos con un elevado punto de fu-sión, que les permite soportar grandes temperaturas y abrasiones muy fuertes que se puedan producir durante el proceso de calentamiento sin perder su solidez. Resisten el contacto con el fuego sin descomponerse.

La cocción de estos ladrillos se realiza en hornos comunes pero a una temperatura mayor de los 1300 ºC.

15.5. OTROS MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN: MATERIALES CONGLOMERANTES

Existen determinados materiales que se pueden emplear para unir otros materiales entre sí. Esto lo consiguen mediante una transformación física o química, de manera que existen dos tipos:


380

Aglomerantes: que al sufrir un cambio físico, como puede ser la eva-poración de agua, enfriamiento, etc, son capaces de unir entre sí dos mate-riales. Es el caso del pegamento o el asfalto.

Conglomerantes: que unen los materiales al sufrir una reacción quími-ca. Como es el caso del yeso y la cal.

Estos dos materiales (cal y yeso) son muy utilizados en la construcción en morteros y revestimientos.

15.5.1. Cal. Composición y propiedades

La cal es una sustancia alcalina de color blanco o blanco grisáceo, com-puesta de óxido de calcio, que al contacto del agua, se hidrata o se apaga, con desprendimiento de calor, y, mezclada con arena, forma la argamasa o mortero.

Según la norma UNE EN 459-1 las cales se clasifican en:

Cales aéreas:

Cálcicas (CaO): Calcinación de rocas calizas puras con una riqueza • mayor del 95% en calcio.

Dolomíticas (CaO·MgO): Calcinación de piedras dolomíticas que con-• tienen magnesio.

Cales hidráulicas. La piedra calcinada contiene arcillas ricas en sílice, aluminio y hierro, que endurecen con el agua. Contienen más impurezas y menor blancura.

Cales aéreas

CaO + MgO (mínimo)

CO2 (mínimo)

Tipo I 90% 5%

Tipo II 60% 5%

Las del tipo I son empleadas en revocos, blanqueos y morteros en gene-ral y las del tipo II son empleadas en morteros para sentar fábricas y para fábricas de ladrillos sílico-calcáreos.


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Cales hidráulicas

SiO2 + Al2O3 + Fe2O (mínimo)

CO2 (máximo)

Cal hidráulica I 20% 5%

Cal hidráulica II 15% 5%

Cal hidráulica III 10% 5%

Las cales aéreas son las cales producidas por la calcinación de calizas o dolomías puras que están constituidas por óxido de calcio y/o magnesio. Se endurecen lentamente mediante la absorción de dióxido de carbono presente en el aire (carbonatación).

La cal viva, que es óxido cálcico (CaO), se obtiene por calcinación o cocción de la piedra caliza en hornos a unos 900-1000 ºC. Esta cal tiene ex-cesiva avidez por el agua y puede resultar peligrosa por lo que es necesario apagarla para poder usarla.

La cal hidratada o apagada, es la cal viva mezclada con agua, hidróxido cálcico (Ca (OH)2), que produce una reacción exotérmica de desprendi-miento de calor y de vapor de agua.

15.5.2. Proceso de obtención de la cal

Obtención de la piedra caliza

Consiste en la obtención de la materia prima, que en este caso es la ca-liza mediante su extracción en la cantera. Se compone de dos fases:

Estudios del terreno.•

Extracción de la piedra caliza mediante perforación y voladura.•

Durante esta etapa se pone especial atención en controlar la composi-ción química, granulometría y humedad de la piedra caliza.

Trituración del material

Debido a que el tamaño de las piedras obtenidas en la cantera varía mucho (desde unos milímetros a centímetros) se requiere unos procesos


382

previos de trituraciones y tamización de la piedra caliza para lograr el diá-metro de partículas requerido para el horno de calcinación.

Calcinación

La calcinación consiste en la aplicación de calor para la descomposición de la caliza (CaCO3). En este proceso la descarbonatación o pérdida del dióxido de carbono de la caliza puede suponer una pérdida de peso cercana al 50%. Con la descarbonatación la caliza se transforma en cal viva (CaO).

La temperatura empleada para una cal aérea puede ser de unos 900 a 1000 ºC y para una cal hidráulica sobre los 1300 ºC.

[CaCO3] + calor → [CaO] + CO2

El aspecto de la cal viva es de fragmentos irregulares.

Los hornos pueden ser continuos o discontinuos.

Hidratación

En esta etapa, también llamada de apagado, a la cal viva (óxido de cal-cio) se le añade agua. Al hidratarse las piedras de cal viva se convierten en cal hidratada (hidróxido de calcio).

[CaO] + H2O → Ca(OH)2 + calor

Se trata de un proceso exotérmico, ya que cuando a la cal viva se le agrega agua, la reacción libera calor. El resultado es un polvo fino de color blanco.

Envasado, almacenamiento y distribución

Finalmente, se procede al envasado, teniendo en cuenta que debe alma-cenarse en sacos o recipientes lo más impermeable y herméticamente posi-ble. La distribución puede realizarse mediante sacos de papel, bolsones o tolvas, en polvo o pasta, para la cal hidratada y para la cal viva, en terrones o molida, en sacos de polietileno, bolsones o tolvas.


383

15.5.3. Aplicaciones de la cal

Desde tiempos antiguos la cal tiene un amplio número de aplicaciones en la construcción como:

Morteros• . Los morteros de cal son aquellos morteros que están fabri-cados con óxido de calcio (cal), arena y agua, y se caracterizan por su plasticidad, color, y maleabilidad en la aplicación.

Las propiedades que lo hacen valioso en la construcción son:

Baja retracción. —

Buena adherencia. —

Gran plasticidad. —

Buen aislante térmico y acústico. —

Impermeabilidad. —

Excelente resistencia al fuego. —

Revocados y enfoscados.•

Recubrimientos y blanqueos.•

Estabilización de suelos en carreteras.•

15.5.4. Yeso. Composición y propiedades

La piedra de yeso se encuentra en la naturaleza como sulfato cálcico di-hidratado (CaSO4 · 2H2O). Es una roca sedimentaria incolora o blanca en estado puro, aunque se suele encontrar combinado con óxidos de hierro y aluminio, sílice, con carbonatos de calcio y magnesio, que le dan otras co-loraciones.

Composición química expresada en forma de óxidos

CaO 33,56 %

SO3 46,51 %

H2O 20,93 %


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Características de la piedra de yeso:

Presenta exfoliación laminar y transparencia.•

Baja conductividad térmica.•

Aislante.•

Regulación higrométrica.•

Absorción acústica.•

Blancura.•

Durabilidad.•

Su propiedad industrial más importante está basada en la pérdida de molécula y media de agua al calentar la piedra de yeso a 170 ºC. Esta des-hidratación origina el yeso cocido o deshidratado.

CaSO4 · 2H2O CaSO4 · 1/2 H2O + 3/2 H2O

Propiedades del yeso:

Fraguado.• El yeso hemihidratado se endurece rápidamente al ama-sarlo con agua. Esto obliga a trabajar rápido, aunque se pueden em-plear catalizadores para regular esta velocidad (retardadores: alcoho-les, azúcares; acelerantes: ácido sulfúrico, fosfatos, nitratos, ...).

Retención de agua.• Debido a la solubilidad del yeso en agua no es posible su uso bajo agua después de fraguado y endurecido. El agua absorbida le hace perder resistencia.

Adherencia.• Esta disminuye con el tiempo y con la humedad. Es buena en superficies como hierro, acero o ladrillos pero mala con su-perficies lisas.

Expansión.• Se produce una expansión rápida debida al crecimiento de los cristales en el fraguado (de 0,3 a 1,5%).

Corrosión.• Produce corrosión en el hierro y el acero. Puede hacer falta una protección contra la misma (pintado, galvanizado, etc.)

Si se aumenta la temperatura para lograr el desprendimiento total de agua, se consiguen diferentes yesos empleados en construcción:


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T.ª deshidratación Tipo yeso

Temperatura ambiente Piedra de yeso

107 °C Hemihidrato α

107 - 200 °C Hemihidrato β (yeso para estuco)

200 - 300 °C Anhidrita III (con ligero residuo de agua)

300 - 1000 °C Anhidrita II (yeso extracocido o de pavimento)

1000 - 1400 °C Anhidrita I (hidráulico)

Cuanto mayor es la temperatura de deshidratación mayor suele ser el tiempo de fraguado.

15.5.5. Proceso de obtención del yeso

El proceso seguido por el yeso es similar al de la cal, con cuatro pasos principales: obtención de la materia, trituración, deshidratación y molien-da y almacenamiento.

Obtención de la materia prima. Se extrae la piedra de yeso de la can-tera mediante excavadoras o voladura, en función de la producción.

Hay que intentar evitar aquellas canteras en las que hay presencia de arenas, gravillas… ya que disminuyen el valor del yeso.

Trituración de la materia. En función del tipo de calcinación que se vaya a realizar se necesitará un tamaño de grano específico. Se requiere por lo tanto un proceso de trituración en el que se adapte el tamaño del material. Se puede realizar mediante machacadoras, molinos de rodillos, trituradoras de martillo etc.

Deshidratación o calcinación. Mediante la aplicación de calor a la piedra de yeso se consigue una deshidratación obteniendo el yeso. El tipo de yeso dependerá de la temperatura alcanzada en el proceso y de la finura del grano.

Los hornos se pueden clasificar según que el material tenga o no con-tacto con los gases de combustión:


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Con contacto:•

Hornos fijos. —

Hornos rotatorios. —

Hornos de parrilla móvil. —

Sin contacto: fijos y rotatorios.•

Molienda, envasado y almacenado. Suele ser necesario un nuevo pro-ceso de molienda después de la calcinación. Esta no es una fase fácil debi-do a la elasticidad que adquiere la piedra. Se emplean molinos de bolas o de martillos.

Una vez tiene el tamaño adecuado se almacena el yeso en silos cerrados y secos. Y por último se emplean sacos de papel para su envasado.

15.5.6. Aplicaciones del yeso en la construcción

El empleo de yeso está bastante extendido, con aplicaciones como:

Revestimientos de yeso:•

Revestimientos tendidos — : extendidos a mano con la ayuda de una herramienta plana y realizados con yesos tradicionales y yesos es-peciales.

Guarnecido: capa gruesa de espesor comprendido entre 10 y –20 mm.

Enlucido tradicional: capa fina de espesor de 3 mm. –

Revestimientos proyectados — : amasados mecánicamente y aplicados mediante una máquina de proyectar.

Estuco: es un recubrimiento de yeso para muros cuya mezcla es un • poco más dura que las demás y que tiene un acabado brillante.

Morteros de yeso.•

Elementos prefabricados.•


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1. ¿Qué es la temperatura de vitrificación? explicar por qué es importante en la cocción del ladrillo.

2. Definir cal apagada y explicar el motivo de su utilización en lugar de la cal viva.

3. Explicar cuál es el motivo por el que los yesos no se pueden emplear en exteriores.

4. Describir el proceso de preparación de la arcilla. ¿Cuál es la función de los desgrasantes?¿En qué momento se adicionan?

5. En un secadero de ladrillos con una producción de 30.000 ladrillos por día, calcular el rendimiento y el consumo de combustible.

Datos:

Peso del agua en cada ladrillo 700 gramos.

Poder calorífico combustible 7000 Kcal/kg.

Peso de 1 m3 de aire = 1,3 Kg a temperatura ambiente de 20 ºC.

Temperatura a la entrada del secadero = 160 ºC

Temperatura a la salida del secadero = 40 ºC

Vapor de agua en 1m3 de aire saturado es de 0,016 Kg a 20 ºC y de 0,05 Kg a 40 ºC.

Pérdidas del secadero por productos y proceso = 232.000 Kcal/hora.

Solución:

& &Te = 160 ºCSECADEROVe = ?

Te = 40 ºCVe = ?

Suponiendo que el secadero se encuentra a presión atmosférica, puedo plantear la relación de volúmenes y presiones, entre la entrada y la sali-da del mismo como:

Ve / Te = Vs / Ts, de donde Ve = (Te/Ts) · Vs,


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y con temperaturas absolutas, quedaría:

Ve = (160 + 273) / (40 + 273) · Vs = 1,38 · Vs

lo que quiere decir que por cada m3 de aire que sale del secadero, han de entrar 1,38 m3.

Teniendo en cuenta el vapor de aire saturado a 20 ºC y a 40 ºC, la canti-dad de agua que se elimina en la salida es:

50 gr – 1,38 · 16 gr = 27,92 gr/m3

La cantidad de agua que entra en los 30.000 ladrillos es:

700 gramos · 30.000 = 21.000.000 gramos de agua/día = 875 Kg/hora

Para eliminar esta cantidad de agua necesito:

((21.000.000/24) gr/hora)/ 27,92 gr/m3 = 31.339,54 m3/hora de aire

Cálculo de las kilocalorías necesaria para transformar 1 Kg de agua a una determinada temperatura Te en vapor a una temperatura Ts.

Q = 606,5 + 0,305 (Te – Ts)

Aplicando la fórmula anterior, para los 875 Kg/ hora de agua a eliminar:

Q = (606,5 + 0,305 (160 – 40)) · 875 = 498662,5 Kcal/hora

A esta cantidad de calor para el secado, hay que sumar el calor que se pierde, en total es necesario producir:

Qnecesario = 498.662,5 + 232.000 = 730.662,5 Kcal

El calor que se aporta por metro cúbico a la entrada es:

Qe = Calor específico · Kg/m3 · (Te–Ts) = 0,24 · 1,3 · (160–40) = = 37,44 Kcal/hora

para 31.339,54 m3, necesito: 37,44 · 31.339,54 = 1.173.352,38 Kcal/hora

Combustible necesario = 1.173.352,38 / 7.000 = 167,62 Kg/hora


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en un día: 167,62 · 24 = 4022,92 Kg/día

Rendimiento: 730.662,5 / 1.173.352,38 = 0,62 = 62%

6. Calcular la cantidad mínima de agua que hay que añadir, para amasar 2 Kg de yeso, conociendo que este posee un 65% de hemihidrato por ki-logramo.

Solución:

Partiendo de la reacción:

SO4Ca · 2H2O → SO4Ca · 1/2 H2O + 3/2 H2O

172 gramos 145 gramos 27 gramos

podemos plantear una regla de tres, que relaciona la cantidad de agua (27 gramos) que reacciona con el hemihidrato (145 gramos). En nues-tro caso, para 2 kilogramos de yeso con un 70% de hemihidrato corres-ponden 1400 gramos., por lo tanto la cantidad de agua será:

(1.400 · 27) / 145 = 260,67

Cantidad de agua necesaria: 260,67 gramos

7. Calcular la proporción de mezcla de caliza y arcilla, para obtener una cal de hidraulicidad media. La composición de la caliza y la arcilla es:

Caliza Arcilla

CO3Ca 87,5% —

CO3Mg 7,5% —

SiO2 2% 47%

Al2O3 0,3% 38%

Fe2O3 0,2% 3%

H2O 2,5% 12%


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Solución:

La hidraulicidad se calcula mediante la expresión:

i = % SiO2 + % Al2O3

% CaO

Si 0 < i < 0,1, es una cal aérea

Si 0,1 < i < 0,16, es una cal hidráulica débil

Si 0 ,16 < i < 0,31, es una cal hidráulica media

Si 0,31 < i < 0,42, es una cal hidráulica normal

Si 0,42 < i < 0,5, es una cal hidráulica alta

para el cálculo de los porcentajes de SiO2 y Al2O3, planteo:

%SiO2 = (2 · r + 47)/(1 + r) ; %Al2O3 = (0,3 · r + 38)/(1 + r)

%CaO = 0,56 · 87,5 · r/(1 + r); (0,56 es la proporción de CaO, en el CO3Ca)

Aplicando la fórmula anterior de cálculo de la hidraulicidad:

i = % SiO2 + % Al2O3

% CaO =

2,3 · r + 85

49 · r

Con los valores de i para una cal media:

i = 0,16, obtengo r = 15,34 y con i = 0,31, obtengo r = 6,59, por lo tanto:

6,59 < calizaarcilla

< 15,34

Tema 16

Industrias del cemento y del vidrio

16.1. Cemento

16.1.1. Componentes del cemento portland16.1.2. Proceso de fabricación del cemento

16.2. Cálculo de la composición potencial de un clinker de cemento portland

16.3. Vidrio

16.3.1. Materias primas para la elaboración del vidrio16.3.2. Proceso de elaboración16.3.3. Procesos de conformado


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OBJETIVOS

Conocer las materias primas empleadas como alimentación en la fabrica-• ción de cementos.

Conocer las propiedades exigidas a los cementos para su aplicación en obra.•

Conocer las reacciones que se producen al calentar las mezclas de calizas y • arcillas y su orden de reacción.

Conocer los procesos de fabricación del cemento y las operaciones precisas • para conseguir una buena cocción.

Conocer las normas que fijan los componentes de un cemento.•

Conocer las materias primas necesarias en la fabricación de vidrios.•

Conocer las propiedades fijadas para los distintos tipos de vidrios.•

Conocer el proceso de fabricación de vidrios.•

Conocer los procesos de conformado del vidrio.•

RESUMEN

Se describen las condiciones que han de cumplirse para la preparación de arcillas y calizas de cara a que sirvan de base para la fabricación de ce-mentos, indicando la diferencia entre estos y el clinquer. A continuación se estudian las reacciones de descomposición de la arcilla y la caliza y la pos-terior reacción de los productos formados, hasta la obtención final de la composición establecida.

Para el vidrio se indican sus distintos tipos y su composición, estudian-do las formas de mezcla y de trabajo en los hornos que conforman el pro-ceso industrial correspondiente. Se concluye indicando los procesos de conformado para los vidrios de envases y para los vidrios planos.


394

16.1. CEMENTO

Según la norma UNE-EN 197-1:2000, se definen los cementos como conglomerantes hidráulicos, esto es, materiales artificiales de naturaleza inorgánica y mineral, que finamente molidos y convenientemente amasa-dos con agua forman pastas que fraguan y endurecen a causa de las reac-ciones de hidrólisis e hidratación de sus constituyentes, dando lugar a pro-ductos hidratados mecánicamente resistentes y estables, tanto al aire como bajo el agua.

El cemento Portland es el cemento más utilizado en la actualidad, aun-que existen otros como el cemento de aluminato cálcico, los cementos ex-pansivos, cementos de fraguado controlado, cemento supersulfatado, ce-mentos para pozos de petróleo y el cemento Ferrari (es un cemento portland con alta resistencia al sulfato). Nosotros nos centraremos en el cemento portland por ser el más habitual.

16.1.1. Componentes del cemento portland

Los componentes que forman el cemento portland y sus requisitos de ensayo, se establecen en las normas UNE-EN 197-1:2000 y en la UNE-EN 196 respectivamente.

Tabla 16.1. Composición química del cemento portland

Composición química % en masa

Residuo insoluble 0,1 - 1,4

Óxido de calcio (CaO) 58,2 - 65,6

Sílice (SiO2) 19,8 - 26,45

Alúmina (Al2O3) 4,1 - 9,5

Óxido de hierro (Fe2O3) 2,1 - 4,5

Magnesia (MgO) 0 - 2,9

Álcalis (K2O Na2O) 0,1 - 2,8

Sulfatos (SO3) 0,1 - 2,2

INDUSTRIAS DEL CEMENTO Y DEL VIDRIO

395

Se puede realizar una clasificación entre componentes principales y adicionales.

Componentes principales

Clinker de cemento portland• . Se obtiene por sinterización de caliza, arcilla, arena y mineral de hierro, principalmente, en una mezcla ho-mogénea. Este sinterizado ha de estar constituido principalmente por silicatos de calcio en dos tercios de su masa. Las fases del clinker están formadas por:

Silicato tricálcico. —

Silicato dicálcico. —

Ferrito aluminato tetracálcico. —

Aluminato tricálcico. —

Cal libre y periclasa. —

Compuestos de metales alcalinos. —

Clinker de cemento portland para cementos resistentes a los sulfatos y • resistentes al agua de mar. En este caso el clinker está limitado en su contenido de aluminato tricálcico y ferrito-aluminato tetracálcico.

Escoria granulada de horno alto• . Esta escoria ha de estar constituida por escoria vítrea y conseguir que tenga propiedades hidráulicas, lo que requiere un control de su composición, la cual ha de contener óxido de calcio, óxido de magnesio y dióxido de silicio.

Puzolanas• . Son sustancias naturales de composición silícea y sílico-aluminosa, que aportan compacidad, impermeabilidad y durabilidad química al ataque de aguas puras, carbónicas, agresivas o con débil acidez. Entre ellas se encuentran:

Puzolana natural, empleada para cemento portland y para el espe- —cífico resistente a los sulfatos y al agua de mar.

Puzolana natural calcinada. —


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Cenizas volantes• . Obtenidas de los gases de los hornos alimentados con carbón pulverizado, son de naturaleza silícea o calcárea, ofre-ciendo en ambos casos propiedades puzolánicas y, en el caso de las calcáreas, también hidráulicas.

Esquisto calcinado• . Contiene fases del clinker, principalmente silicato bicálcico y aluminato monocálcico. Presenta propiedades hidráulicas y puzolánicas.

Caliza• . Es un elemento de relleno, que sin reaccionar, mejora las pro-piedades de la pasta de cemento, debido a sus características físicas. No debe de sobrepasar el 20% en peso.

Humo de sílice• . Se obtiene de la reducción de cuarzo en hornos de arco eléctrico para producción de silicio y ferrosilicio. Está compues-to por dióxido de silicio amorfo.

Componentes adicionales

Minoritarios• . Son componentes utilizados para mejorar las propieda-des físicas de los cementos (docilidad o retención de agua). Su pro-porción no ha de superar el 5% en peso.

Sulfato de calcio (yeso)• . Se añade durante la fabricación del cemento para controlar el fraguado, también actúan como activadores del de-sarrollo de la resistencia.

16.1.2. Proceso de fabricación del cemento

El siguiente esquema nos muestra de modo general el proceso de fabri-cación del cemento. Un balance de materia sencillo, nos muestra que para obtener una tonelada de cemento es necesario añadir 800 kg de clinker y 200 kg de componentes adicionales y yeso.


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Materias primasCaliza, marga y arcilla

Trituración yhomogeneización

Horno rotatorio (1.450ºC)Crudo

Adiciones Yeso Clinker

Molino

CEMENTO PORTLAND

Diagrama 1. Esquema de fabricación del cemento.

Las materias primas que conforman el cemento han de poseer los com-ponentes necesarios para su fabricación, CaO, sílice, óxido de hierro y alú-mina, clinker y el sulfato cálcico. Estas materias primas se consiguen tanto de modo natural como de subproductos o residuos de otros procesos in-dustriales.

El proceso de trituración y homogeneización de estos productos, consi-guiendo la finura adecuada (crudo), es de gran importancia para el si-guiente proceso en el horno. Por otro lado la homogeneidad, consigue un funcionamiento del horno de un modo adecuado, asi como una mejor efi-ciencia energética. La molienda de las materias primas, se puede realizar por dos sistemas, dependiendo del estado de las mismas, serían las vías seca y semiseca y las vías húmeda o semihúmeda.

Una vez el crudo está dispuesto se alimenta el horno, en este se produce una serie de reacciones químicas que comienzan con la descomposición del carbonato cálcico a unos 900 ºC, proceso denominado calcinación o descar-


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bonatación. Seguidamente se produce la clinkerización donde a 1.450 ºC el óxido de calcio reacciona con la sílice, la alúmina y el óxido de hierro para formar los silicatos, aluminatos y ferritos de calcio. Esta reacción se realiza bajo condiciones oxidantes, por lo que se necesita un exceso de aire.

Hoy en día la evolución de la técnica ha llevado a la realización de estas operaciones en hornos de tipo rotatorio. Este tipo de horno, consta de un tubo de acero con una relación de longitud diámetro de 1:10 y 38:1, con una inclinación de entre el 2,5 y el 4% y con velocidad de rotación de hasta 4,5 rpm. El interior del horno está forrado de ladrillos refractarios.

Los combustibles que se utilizan para generar la energía térmica nece-saria, son diversos y dependen de la ubicación de la planta, entre ellos se encuentran:

Carbón pulverizado•

Residuos orgánicos•

Fuel pesado•

Gas natural•

Las altas temperaturas que se alcanzan en el horno y el tiempo de per-manencia permiten su uso para quemar como combustible, residuos de otras industrias. Parte de este combustible (sobre un 25%) se puede que-mar sin pulverizar, el resto ha de ser molido y triturado mediante:

Molinos verticales•

Molinos de impacto•

Molinos de bolas de barrido por aire•

El producto resultante del horno es el clinker, el cual ha de ser enfriado para, por un lado conseguir al disminuir su temperatura una mayor moltu-rabilidad (mejora en su capacidad de molienda) y reactividad, y por otro lado recuperar el calor del clinker caliente, que sale a unos 1.450 ºC, para precalentar el aire que utiliza el quemador principal. Hay dos tipos princi-pales de enfriadores, rotatorios y de parrilla.

El siguiente paso una vez obtenido el clinker es el proceso de adición de un regulador del fraguado, como pueden ser el yeso o la anhidrita, estos se pueden moler junto con el clinker, o se secan y se muelen por separado.


399

El funcionamiento de los molinos, suele consistir en la retirada gradual del cemento con la finura adecuada devolviendo el material más grueso para seguir moliéndolo.

Las adiciones se suelen moler junto con el clinker y el yeso, siempre y cuando el grado de humedad sea el adecuado, entre 2 y 4%, pero se pude hacer por separado dependiendo de:

La cantidad de aditivos sobre el producto final.•

La diferencia de molturabilidad entre clinker y adiciones.•

Una vez molido, el cemento es separado según su granulometría me-diante un ajuste, lo que define la calidad del cemento.

16.2. CÁLCULO DE LA COMPOSICIÓN POTENCIAL DE UN CLINKER DE CEMENTO PORTLAND

Método de Boge (Norma UNE 80304:1986).

Cálculo de la composición potencial del clinker de cemento portland. Es el cálculo de las concentraciones de los componentes, expresadas en %. Se supone:

1. Con la alúmina o el óxido férrico, se forma todo el aluminato tetracálcico posible. La relación alúmina/óxido férrico sea mayor o menor que 0.638.

2. Si Alúmina/óxido férrico > 0,638, la alúmina que queda forma aluminato tricálcico.

3. Si Alúmina/óxido férrico < 0,638, el óxido férrico que queda forma ferrito bicálcico.

4. El resto de la cal, forma silicato bicálcico y tricálcico.

Si óxido de calcio/anhídrido silícico = 1,864, se forma silicato bicálcico.

Si 1,864 < óxido de calcio/anhídrido silícico < 2,795, se forma silicato bi-cálcico y tricálcico.

Si óxido de calcio/anhídrido silícico = 2,795, se forma silicato tricálcico.

5. Se forma todo el silicato bicálcico posible.

6. La cal restante se combina para formar silicato tricálcico.


400

16.3. VIDRIO

La complejidad en comportamiento y sus características, similares por un lado a líquidos y por otro a sólidos, no facilita el enunciado de una defi-nición de vidrio basada en conceptos estructurales y físicos.

Se considera el vidrio como un estado de la materia inorgánica, que por un lado puede asimilarse a un sólido, pero que tiene las propiedades de un líquido extremadamente viscoso, que no presenta estructura cristali-na, ni un punto de fusión definido.

En la siguiente tabla se establece una clasificación de los vidrios según su composición:

Tabla 16.2. Clasificación general de los vidrios según su composición

Tipos de vidrio

De sodio y calcio 71-75% SiO2, 12-16% sosa, 10-15% CaO

Al plomo y de cristal 54-65% SiO2, 25-30% PbO, 13-15% Na2O o K2O

De borosilicato 70-80% SiO2, 7-15% B2O3, 4-8% Na2O o K2O, 2-7% Al2O3

Especial Composiciones variadas

Las tres primeras composiciones que podemos observar en la tabla co-rresponden a más del 95% de vidrio producido. Como se puede observar la gran mayoría poseen una composición a base de silicatos. La composición de los mismos puede variar, al añadir otra serie de componentes que con-fieren al producto final unas características específicas.

Vidrios al sodio y calcio. Se utiliza principalmente para envases, vajillas y vidrio de ventanas, principalmente por sus propiedades, entre ellas están:

Excelente transmisión lumínica.•

Muy inerte químicamente.•

Buenas características de resistencia a la tensión y térmicas.•

Materias primas baratas y fáciles de conseguir.•


401

Vidrios al plomo y vidrio de cristal. Se utilizan en vasos y botellas de be-bidas y elementos decorativos, por su facilidad para tomar formas y deco-raciones. Destacan por:

Alta densidad e índice de refracción (brillo y sonoridad).•

Excelente facilidad de conformado.•

Los vidrios de cristal, se producen con la sustitución parcial o total del óxido de plomo por óxidos de bario, cinc o potasio, otorgándoles menos brillo o densidad.

Vidrios de borosilicato. Se utilizan en instrumentos de laboratorio y de procesos químicos, iluminación y puertas de horno. También hay que se-ñalar su uso para la fabricación de fibra de vidrio y lana de vidrio. Entre sus propiedades destacan:

Elevada resistencia a la corrosión química.•

Buena respuesta a los cambios de temperatura (bajo coeficiente de • dilatación térmica).

Vidrio especial. Lo componen una gran cantidad de composiciones, para productos de gran valor, pero de una baja y normalmente específica producción. Serían productos para aplicaciones de óptica, electrónica, tu-bos de rayos catódicos, etc.

16.3.1. Materias primas para la elaboración del vidrio

La mayoría de los compuestos utilizados son sólidos inorgánicos, ya sean de tipo natural o sintético, el tratamiento mecánico que permite aña-dirlos al proceso tiene que permitir obtener desde materiales muy gruesos a polvos finamente divididos. Dependiendo del sector de producción cabe la posibilidad de incorporarlos al proceso en forma de líquido o gas.

Hay que tener en cuenta, el cada vez mayor uso del vidrio recuperado como materia prima; normalmente se utiliza de manera separada de las materias de mezcla primaria y se suministran al horno mediante un sistema independiente.

Dependiendo del papel que desarrollan durante la fusión, podemos dis-tinguir cuatro grupos principales de materias primas.


402

Vitrificantes.•

Fundentes.•

Estabilizantes. •

Componentes secundarios.•

Vitrificantes. Son sustancias formadoras de vidrio, las básicas son:

Sílice. Constituyente principal de los vidrios comerciales, llegando a ser las tres cuartas partes de su composición. Las fuentes principales de esta materia prima son el cuarzo, las cuarcitas, las arenas y areniscas de cuar-zo, aunque es esta última la que se utiliza principalmente.

Ser el constituyente principal explica las cualidades físicas y químicas del producto final. Los factores que hacen viable una arena, son sus carac-terísticas mineralógicas, químicas y granulométricas. Se intenta evitar la presencia de impurezas de densidad superior a 2,9 g/cm3 (minerales pesa-dos), debido a los iones colorantes.

Anhídrido bórico. Nunca se emplea como vitrificante único, debido a su solubilidad. Se emplean como principales materias bóricas productos pre-parados como el ácido bórico y borato sódico, con diferente grado de hi-dratación.

Anhídrido fosfórico. Se utiliza para vidrios que necesitan propiedades ópticas especiales. Presentan el inconveniente de la solubilidad, pero como ventaja presentan que son resistentes al ácido fluorhídrico.

Fundentes. Su función es favorecer la formación de vidrio, al rebajar su temperatura de fusión. Los compuestos que mejor se comportan en es-tos casos son los óxidos alcalinos. Entre ellos se encuentran:

Óxidos de sodio. Se incorporan al vidrio como:

Carbonato sódico (sosa), la mayor parte del mismo se prepara por el • método Solvay.

Sulfato sódico. Se suele introducir como afinante, e indirectamente • como aportador de óxido de sodio. La ventaja que ofrece frente a la sosa es su mayor economía, pero son mayores los inconvenientes, la gresividad frente a los refractarios, elevada contaminación atmos-férica con SO2.


403

Óxido de potasio. El empleo de este compuesto provoca una mejora en la calidad y un aumento del brillo. En cuanto al proceso técnico, presenta un mayor intervalo de moldeabilidad.

Óxido de calcio. Ocupa el tercer lugar en proporción dentro de la com-posición de los vidrios comerciales. Entre sus ventajas se encuentran la es-tabilidad química y mecánica que aportan. La principal manera de intro-ducir el óxido de calcio es a través de la caliza natural.

Estabilizantes. Aunque el óxido de calcio y el de bario, también apor-tan estabilidad a ciertas propiedades, los óxidos siguientes son los que cumplen esta función más específicamente, entre ellos se encuentran:

Óxidos de aluminio. Se aportan principalmente a través de feldespatos, hidróxido de aluminio y caolín.

Óxidos de plomo. Ennoblecen la calidad del vidrio, otorgándole un alto índice de refracción y brillo, una alta densidad y sonoridad. Su ma-yor inconveniente es que son más blandos. Se aportan principalmente como minio.

Óxido de cinc. Actúa mejorando la resistencia química, elevando el ín-dice de refracción, aumentando la dureza y disminuyendo el índice de di-latación térmica.

Componentes secundarios. Las funciones de estos componentes son como colorantes, decolorantes, opacificantes, y fluidificantes. Destacare-mos estos últimos por la importancia que tienen al aportar la propiedad de disminuir la viscosidad del vidrio. Entre los elementos que aportan esta ca-racterística están los fluoruros. El inconveniente que presentan es la agre-sividad frente a los refractarios por su volatilidad.

16.3.2. Proceso de elaboración

La fase central de la producción del vidrio, pasa por la fusión a altas temperaturas de las distintas materias primas. La decisión del tipo de pro-ceso a emplear ha de tener en cuenta aspectos como la escala de opera-ción, el producto que se desea obtener y su uso final.

El proceso de fusión, consiste en una combinación de reacciones quí-micas y procesos físicos, que se realizan en varias fases.


404

1.ª fase. Calentamiento. Se realiza mediante la quema de un combusti-ble fósil, en su forma más habitual. El calentamiento de la mezcla que se alimenta de forma continua, genera un estado fundido que se extrae del horno.

Normalmente se necesitan alcanzar temperaturas entre 1.300 y 1.550 ºC. El diseño de los hornos favorece la recirculación de la masa fundida, en bus-ca de una homogeneidad necesaria para mantener las características isotró-picas del producto final.

La continuidad en la alimentación y la realización de la fusión correcta, obligan a mantener una cantidad de masa constante en el horno, que ali-menta el siguiente proceso de conformación. El tiempo de permanencia en el horno, es de 72 horas para el vidrio flotado y de 24 horas para el resto.

2.ª fase. Fusión primaria. El proceso de fusión inicialmente es lento, de-bido a la baja conductividad térmica de las materias primas que forman la mezcla. En esta fase, la humedad se evapora, se descompone alguno de los componentes y se escapan los gases atrapados dentro de ellas. Estas pri-meras reacciones de descarbonatación ocurren alrededor de los 500 ºC, y la fusión comienza entre 750 ºC y 1.200 ºC.

Formación de silicatosSílice + óxido sódico

Desprendimiento de gasesDescomposición de hidratos,carbonatos, nitratos y sulfatos

Arena de sílice

750 - 1.200 ºC

FundentesH2OCO2NOxSOx

Fusión

Diagrama 2. Reacciones de la fusión primaria.

La mezcla fundida se hace transparente, y se reduce el volumen inicial entre un 50-65%, por causa de pérdida de gases y la eliminación de espa-cios entre los componentes de la mezcla.

3.ª fase. Afino y homogeneización. En esta fase se busca una homogenei-zación del fundido para evitar problemas cuando se transforme en el pro-ducto final.


405

Consiste en la eliminación de burbujas de gas que se encuentran ocluidas dentro de la masa fundida, formadas principalmente por dióxido de carbono, y en menor medida de aire. Estas burbujas en el caso de que se trasladen al producto acabado, podrían originar disminución de su resistencia mecánica.

La solubilidad limitada que poseen tanto el CO2 como el aire, en el vi-drio fundido, hace necesario el uso de agentes de afino, para eliminar prin-cipalmente las burbujas de menor tamaño (llamadas puntos), que tienen menor velocidad al moverse dentro de la mezcla, y por ello tardan más en poder escaparse durante la fusión.

Los agentes de afino químico añadidos liberan gases con solubilidad en el vidrio, dependiendo de ella, las burbujas aumentan de tamaño, y se escapan o son reabsorbidas por la mezcla. El agente de afino más utilizado es el sulfato sódico, principalmente en la producción de vidrio plano y para envases.

La homogeneización se suele favorecer con la introducción de burbujas de vapor, oxígeno, nitrógeno o aire desde el fondo de la cuba. Este proceso favorece la mezcla y la transferencia de calor.

4.º fase. Acondicionamiento. Se realiza a bajas temperaturas (entre 900 y 1350 ºC) para que las burbujas solubles se reabsorban en el fundido.

Las técnicas de fusión utilizadas en la industria del vidrio dependen de la capacidad que se necesite, la formulación del vidrio y el coste energético principalmente. Los hornos de vidrio están diseñados para trabajar duran-te unos 12 años y con una capacidad de producción variable de entre 20 y 600 toneladas/día. La distinción entre los diferentes tipos de hornos pasa por su forma de calentamiento, el método de calentamiento del aire de combustión empleado y la posición de los quemadores. Dentro de los tipos de hornos que se utilizan están:

Hornos regenerativos. •

Hornos de recuperación.•

Fusión con oxicombustión.•

Fusión eléctrica.•

Fusión con combinación de combustibles fósiles y electricidad.•

Fusión en discontínuo.•

Hornos especiales.•


406

16.3.3. Procesos de conformado

Vidrio para envases. Se producen en un proceso de moldeo de dos etapas, que son moldeo y soplado, que se aplican según la siguiente secuencia.

Se parte de un trozo de vidrio fundido (gota) a peso y temperatura 1. adecuados.

Por aire comprimido o émbolo, se obtiene una preforma (2. paraison) del envase en un molde primario.

Cambio de molde primario por el molde de acabado.3.

Se sopla el envase con aire comprimido hasta obtener la forma del 4. molde de acabado.

Retirada del producto y aplicación de procesos finales de acabado.5.

Vidrio plano. Esta clasificación incluye a todos los vidrios fabricados de forma plana. La secuencia de fabricación por flotación es:

Vertido del fundido en un baño de estaño fundido, donde se for-1. ma una lámina, que debido a la densidad y tensión superficial entre ambos vidrio y estaño, forma una lámina con caras planas y parale-las.

Recogida y transporte, por parte de rodillos refrigerados, de la hoja 2. de vidrio, que es sometida a un proceso de estiramiento. Con la ve-locidad de rotación y de flujo del vidrio se controla el espesor de la lámina.

La lámina se traslada por rodillos a un horno de recocido, donde se 3. pulveriza con SO2, para endurecer y proteger. Se produce un enfria-miento de 600 a 60 ºC para eliminar tensiones residuales.

Cortado de la lámina con sierra.4.

Dependiendo de los tipos de vidrio que se quiera obtener se produce un conformado distinto y se adecua el proceso a las cualidades que se quieran aportar al producto final.


407


1. Describir las fases del proceso de fabricación del clinker del cemento portland, así como el motivo por el cual se añade yeso en el proceso fi-nal de fabricación.

2. Describir los componentes principales para la fabricación del vidrio y la función que tiene cada uno de ellos en dicho proceso.

3. Calcular la composición potencial de un clinker de cemento portland, que responde al siguiente análisis químico en % (no presenta residuo insoluble):

SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Otros* Ppc**

23,4 5,0 1,7 66,2 2,5 0,6 0,6

** Óxidos de azufre, sodio, potasio y cloro.** Pérdidas por calcinación.

Solución:

a. Estudio de los fundentes.

%Al2O3

%Fe2O3

= 5,01,7

= 2,94 > 0,638

Por lo tanto se forman los fundentes, ferrito aluminato tetracálcico (C4AF) y aluminato tricálcico (C3A).

b. Cálculo de los fundentes.

%C4AF = %Fe2O3 · (485,6/159,6) = 1,7 · (485,6/159,6) = 5,17%

(%Al2O3) en el C4AF = %Fe2O3 · (102,0/159,6) = 1,7 · (102,0/159,6) = 1,09%

(%CaO) en el C4AF = %C4AF – %Fe2O3 – %Al2O3 = 5,17 – 1,7 – 1,09 = 2,38%

%C3A = (%Al2O3) en el C3A · (270,0/102,0) = 3,91·(270,0/102,0) = 10,35%

(%Al2O3) en el C3A = (%Al2O3)total – (%Al2O3) en el C4AF = 5,0 – 1,09 = 3,91%

%CaO en el C3A = %C3A – (%Al2O3) en el C3A = 10,35 – 3,91 = 6,44%


408

c. Cálculo del CaO destinado a la formación de silicatos.

(%CaO)para silicatos = (%CaO)total – (%CaO)en el C4AF – %CaO en el C3A = = 66,2 – 2,38 – 6,44 = 57,38%

d. Silicatos.

(%CaO)para silicatos

%SiO2

= 57,3823,4

= 2,45 ; 1,864 < 2,45 < 2,795

Por lo tanto se forman silicato tricálcico (C3S) y silicato bicálcico (C2S).

1.ª ecuación:

%C2S + %C3S = %CaOpara silicatos + %SiO2 = 57,38 + 23,4 = 80,78 (1)

2.ª ecuación:

(%SiO2) en el C2S = %C2S · (60,1/172,1) = 0,349 · %C2S

(%SiO2) en el C3S = %C3S · (60,1/228,1) = 0,263 · %C3S

0,349 · %C2S + 0,263 · %C3S = 23,4 (2 )

Resolviendo (1) y (2) obtengo: %C2S = 24,97% %C3S = 55,81%

Resultados:

Ferrito aluminato tetracálcico 5,17%

Aluminato tricálcico 10,35%

Silicato bicálcico 24,97%

Silicato tricálcico 55,81%

Nota:

La aplicación de los coeficientes de las fórmulas aplicadas, se basan en la relaciones estequiométricas que se producen en las reacciones de for-mación del ferrito aluminato tricálcico,

4(CaO) + Al2O3 + Fe2O3 → (CaO)4(Al2O3)(Fe2O3)


409

y de formación de los silicatos.

2(CaO) + SiO2 → (CaO)2(SiO2)

3(CaO) + SiO2 → (CaO)3(SiO2)

4. Para la fabricación de un vidrio de ventanas se utilizan como materias primas, el vidrio desechado del proceso de fabricación, y caolín, arena, dolomía, caliza y carbonato sódico, en los procentajes que se indican a continuación. Si se quieren obtener 2 toneladas de vidrio (capacidad del horno), calcular las cantidades de materia prima necesarias.

Composición SiO2 Al2O3 CaO MgO Na2O

Vidrio (%) 75 1 9,5 2,6 11,9

Vidrio desechado (%)* 69 1,5 11 2,5 16

* El % de vidrio desechado incorporado corresponde al 25%.

Tabla 16.3. Porcentajes aproximados de compuestos químicos en materias primas

Materia prima

Caolín Arena Caliza DolomíaCarbonato

sódico

% Al2O3 39 — — — —

% SiO2 47 100 — — —

% CaO — — 56 30,4 —

% MgO — — — 21,8 —

% Na2O — — — — 58,5

Solución:

Las cantidades de materias primas a aportar, serán las diferencias entre el total que quiero obtener (2 toneladas) y las cantidades que aporto con el vidrio desechado, esa última será:

2.000 kg. · 0,25 = 500 kg.


410

Cantidades de materia prima que hay que fundir por primera vez:

Kg. de SiO2 = 2000 kg · 0,75 – 500 kg.· 0,69 = 1155 kg.

Kg. de Al2O3 = 2000 kg · 0,01 – 500 kg. · 0,015 = 12,5 kg.

Kg. de CaO = 2000 kg · 0,095 – 500 kg. · 0,11 = 135 kg.

Kg. de MgO = 2000 kg · 0,026 – 500 kg. · 0,025 = 39,5 kg.

Kg. de Na2O = 2000 kg · 0,119 – 500 kg. · 0,16 = 158 kg.

Calculamos ahora los kilogramos de materias primas que hay que añadir.

Caolín. Aporta Al2O3 y SíO2, en un 39% y un 47% respectivamente.

Para añadir 12,5 kg de Al2O3, necesito (12,5 ·100)/39 = 32,05 kg de caolín.

El caolín, también aporta parte del SiO2 necesario, y por tanto tengo que considerarlo para calcular la arena necesaria.

El SiO2 que aportan 32,05 kg de caolín, es:

(47 · 32,05)/100 = 15,06 kg de SiO2.

Arena. La arena tiene un 100% de SiO2, pero ya he añadido 15,06 kg con el caolín, por lo tanto la cantidad total de arena será:

1155 – 15,06 = 1139,94 kg de arena.

Dolomía. La dolomía contiene CaO, en un 30,4% y MgO, en un 21,8%.

Para añadir 39,5 Kg de MgO, necesito (39,5 · 100/21,8) = 181,2 kg de dolomía.

Igual que la caliza, la dolomía aporta cal, en este caso en una cantidad de:

(30,4 · 181,2)/100 = 55,1 kg de CaO.

Caliza. De CaO se necesitan 135 kg, menos lo que ya aporta la dolomía, son entonces:

135 – 55,1 = 79,9 kg de CaO.


411

Para conseguir 79,9 kg de Cao, necesito de caliza:

(79,9 · 100)/56 = 142,68 kg de caliza.

Carbonato sódico. El carbonato sódico contiene un 58,55 de Na2O, por lo que necesito:

(158·100)/58,5 = 270 kg de carbonato sódico

Resultados:

Caolín Arena Dolomía CalizaCarbonato

sódico

32,05 kg. 1139,94 kg 181,2 kg 142,68 kg 270 kg

Tema 17

Industrias metálicas

17.1. Introducción

17.2. Hierro

17.2.1. Proceso de obtención17.2.2. Acería eléctrica17.2.3. Metalurgia secundaria

17.3. Cobre

17.3.1. Metalurgia por vía seca

17.3.1.1. Concentración del mineral17.3.1.2. Eliminación parcial del hierro17.3.1.3. Conversión de la mata17.3.1.4. Afino del cobre

17.3.2. Metalurgia por vía húmeda

17.4. Aluminio

17.4.1. Proceso Bayer17.4.2. Electrolisis de la alúmina17.4.3. Afino de aluminio


415

OBJETIVOS

Se plantea como objetivo general el conocimiento de los procesos de obtención de metales, la diversidad de materias primas potencialmente utilizables y las múltiples aplicaciones de los metales más representativos.

En concreto se fijan:

Entender lo que significa la metalurgia extractiva y la necesidad de aportar • energía en todos los procesos involucrados en ella.

Conocer los procesos de obtención del hierro y las materias primas de parti-• da que pueden utilizarse.

Conocer las reacciones y los procesos que tienen lugar en los altos hornos.•

Establecer diferencias entre productos finales en función de la materia pri-• ma de partida.

Conocer las especificaciones del acero y de las acerías eléctricas. •

Conocer la metalurgia del cobre.•

Conocer la metalurgia del aluminio.•

RESUMEN

Definida metalurgia se comentan los procesos industriales que confor-man la metalurgia extractiva. Se estudia el esquema general de estos proce-sos, desde la obtención de la materia prima, la preparación del material, las formas de extracción del metal desde la combinación útil de partida y los procesos finales para la purificación o afino del metal obtenido.

Se describe el funcionamiento de los hornos altos y de las acerías eléc-tricas para la obtención de hierro y acero, especificando la composición de estos de cara a su utilización final.


416

Como otros metales representativos por sus numerosas aplicaciones in-dustriales se estudian el aluminio y el cobre.

17.1. INTRODUCCIÓN

Se define metalurgia como la técnica de obtención, preparación, y tra-tamiento (físico/químico) de los minerales metálicos, hasta la producción de metales en forma elemental y sus aleaciones.

Normalmente los metales aparecen en la naturaleza en forma combina-da (óxidos, sulfuros...). Los procesos industriales que conforman la meta-lurgia extractiva, buscan la obtención de esos metales en estado puro o en alguno de sus compuestos, realizando el proceso contrario al natural, des-de las materias primas, o desde subproductos de otros procesos industria-les, e incluso residuos como la chatarra.

Estos procesos metalúrgicos siguen, en general, una serie de pasos, que podemos observar en el siguiente esquema.

Materia primaObtención

Preparación del mineral

Extracción

Afino

- Trituración y molienda- Clasificación y concentración

- Pirometalurgica· Calcinación y tostación· Fusión· Conversión· Volatilización

- Hidrometalurgica· Lixiviación, concentración y precipitación

- Pirometalurgico- Electroquímico

Diagrama 1. Fases de la metalurgia extractiva.

INDUSTRIAS METÁLICAS

417

El mejor proceso para obtener el metal deseado, es aquel que acaba por conseguir un producto que ofrezca el mayor beneficio económico, para ello la tecnología empleada ha de ir encaminada a disminuir los costes de producción.

En este sentido, la obtención de metales a partir de materias primas na-turales, ha dejado paso en gran parte, a la recuperación de metales a partir de subproductos de otros procesos o de chatarra. Las razones de esta ten-dencia hay que buscarlas en el ámbito económico, pero también en la pre-servación de las reservas naturales. Por ejemplo en la industria del acero, la chatarra ocupa el 50% de la materia prima utilizada, dada su facilidad de recuperación.

Dada la amplitud de metales e industrias derivadas, vamos a centrarnos en el estudio de tres metales significativos por sus procesos productivos y por su utilidad como son el hierro, base de la industria siderúrgica, el co-bre y el aluminio.

17.2. HIERRO

Símbolo químico Fe

Densidad 7.874 kg/m3

Punto de fusión 1.535 ºC

Precedido de oxígeno, silicio y aluminio, el hierro es el cuarto elemento más abundante en la naturaleza. Los minerales naturales de los que se ex-trae el hierro (denominadas menas), son:

Hematites (Fe• 2O3), con 70% de proporción en hierro del mineral puro.

Magnetita (Fe• 3O4), con 72,4% de proporción en hierro del mineral puro.

Limonita (FeO(OH)), con 60% de proporción en hierro del mineral puro.•

Siderita (FeCO• 3), con 48,2% de proporción en hierro del mineral puro.

Piritas en forma de sulfuros dobles más o menos complejos.•

Específicamente, se define la siderurgia como la ciencia y la técnica del beneficio, extracción y producción del hierro y del acero.


418

La función de las siderurgias integrales es la obtención desde el mine-ral de hierro, del arrabio o hierro líquido, dicha transformación se efectúa en los altos hornos, y posteriormente se transforma en acero en los con-vertidores. Los hornos altos, han sufrido una gran disminución debido a las grandes inversiones necesarias para renovación de los equipos, y por otro lado el crecimiento de las acerías eléctricas ha ido aumentando, prin-cipalmente por su mayor eficiencia energética a causa de la gran cantidad de chatarra existente, siendo esta una materia prima de bajo coste en comparación con el mineral de hierro. Energéticamente, obtener una to-nelada de acero, a partir de chatarra consume 5,6 · 106 kilojulios, en cam-bio en una planta integral, horno alto y convertidor de oxígeno, suponen 16,96·106 kilojulios. De todos modos las acerías eléctricas no harán desa-parecer los hornos altos, ya que el proceso de obtención de arrabio desde el mineral de hierro, siempre es necesaria, debido a que la demanda de acero, supera la producción y reciclaje de chatarra.

Aglomeración y concentración del mineral Chatarra y/o prerreducidos

Horno eléctrico

Metalurgia de cuchara

Colada continua

Laminación

Convertidor

Horno alto

Horno alto Acerías

Diagrama 2. Procesos siderúrgicos.

17.2.1. Proceso de obtención

Horno alto. El proceso de obtención de hierro que se realiza en hor-no alto, comienza por el tratamiento de los óxidos en que se encuentra mediante un proceso de reducción, y para ello se utiliza un elemento re-ductor que sea más ávido de oxígeno que el hierro. En el caso de la in-


419

dustria siderúrgica este elemento es el carbón, y las reacciones que se pro-ducen son:

FeO + C → Fe + CO

FeO + CO → FeO2

Estas temperaturas tienen su mayor efectividad a partir de temperatu-ras que rondan los 1.000 ºC. La desaparición del oxígeno en el mineral, acaba transformando el mineral en hierro esponjoso, si se continua au-mentando la temperatura, se produce la carburación y fusión, transfor-mándose en arrabio en estado líquido y a una temperatura de 1.500 ºC.

El funcionamiento del horno alto, comienza por la introducción de las cargas de mineral, coque y fundentes. Este descenso se produce a través de una corriente de gas reductor, la combustión del coque provoca gases que alcanzan temperaturas de 2.000 ºC, que facilitan la producción de las reac-ciones de reducción de óxidos y formación de escorias.

Coque: Residuo sólido que se obtiene por destilación de determinadas hullas de manera anaerobia a temperaturas superiores a los 1.000 ºC.

Fundentes: Sustancias cuya función es combinarse con la ganga, para bajar su temperatura de fusión, y combinarse con las impurezas pasándolas a la escoria.

Las reacciones básicas de un horno alto son:

Coque + corriente de aire → calor + CO (gas reductor)

Mineral de hierro + CO + calor → arrabio (hierro) + gases de salida

Ganga + fundente + calor → escoria

Los otros elementos que componen el mineral, tales como fósforo, azu-fre, arsénico, cobre, manganeso y silicio pasan al arrabio y otros como alu-minio, titanio calcio y magnesio se depositan en el horno.


420

En la parte inferior del horno, se encuentran las salidas de escorias y de arrabio, denominadas piqueras, situandose la piquera de escoria por enci-ma de la de arrabio. El arrabio una vez abandona el horno, se dirige hasta unas cucharas (cucharas torpedo), donde se realiza un tratamiento de desul-furación, cuyo resultado mejora la calidad del arrabio y facilita el posterior afino, todo el traslado ha de realizarse manteniendo la temperatura.

Los productos resultantes del horno alto son el afino de arrabio utilizado en la acería par la transformación en acero, o los lingotes de hierro, que se tra-tará en hornos de arco o inducción para la obtención de fundición. El funcio-namiento del horno alto es de tipo continuo, cada carga tarda alrededor de 8 horas en pasar desde la entrada (tragante) hasta la salida por la piquera.

En las siguientes tablas, figuran las composiciones aproximadas de arra-bio y escoria que se obtienen en un horno alto.

Tabla 17.1. Composición del arrabio de horno alto

Tipo de arrabio %Si %Mn %P %C %Fe

Hematíes 2 1-2 <0,7 4 90-95

Básico <1 1-2 <0,1 4 91-95

Tabla 17.2. Composición de la escoria de horno alto

Escoria Sílice Alúmina Óxidos de hierro Óxidos de manganeso Cal Magnesia

% 27 - 40 6 - 17 < 1 < 3 30 - 48 5 - 13

El siguiente paso del arrabio, es un proceso de conversión con oxígeno, el proceso es siempre el mismo, y sólo varían los componentes que intro-ducimos al convertidor.

Para producir la oxidación, se utiliza el convertidor, que consiste en un recipiente cilíndrico con una capacidad de entre 45 y 250 toneladas, cons-truido con chapa recubierta interiormente de material refractario. El pro-ceso en general, ya que existen variantes dependiendo del acero que quera-mos obtener, consiste en la inyección de oxígeno mediante una lanza. En el siguiente esquema podemos observar las tres etapas.


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1ª etapa. Carga del convertidor con 20% de chatarra y 80% de arrabio

2ª etapa. Afino y soplado. Insuflado de O2 puro a 10/40 atmósferas Introducción de fundentes para eliminar impurezas en forma de escoria

3ª etapa. Colada. Giro del convertidor para efectuar la colada en cuchara

Diagrama 3. Etapas del convertidor.

En la metalurgia secundaria, el afino y el ajuste se realizan fuera del convertidor, mientras que en el horno eléctrico de arco, estas fases se reali-zan dentro. Los aceros que se obtienen por conversión al oxígeno, son ace-ros de construcción no especiales, caracterizados por su bajo contenido en nitrógeno, o aceros destinados a obtener piezas por embutición, en este caso aceros dulces (bajo contenido en carbono).

17.2.2. Acería eléctrica

La obtención de acero a través de las acerías eléctricas que utilizan como materia prima la chatarra es un proceso independiente de la siderur-gia integral.

Según la norma UNE 36-004, se define el acero como el material en el que el hierro es predominante y cuyo contenido en carbono es, generalmente, inferior al 2%. Aunque un limitado número de aceros puede tener conteni-dos en carbono superiores al 2%, este valor es el límite habitual que separa el acero de la fundición.

Algunos procesos de elaboración del acero, utilizan la chatarra mezcla-da con el arrabio (convertidor), mientras otros sólo utilizan chatarra (hor-nos eléctricos). Por chatarra entendemos, los partes de acero que son in-servibles y sin ninguna utilidad, proceden de desguaces de diferentes orígenes (automóvil, electrodomésticos, barcos…) y de despuntes, virutas, etc. de la industria metalomecánica y de la propia fabricación del acero.

En la acería eléctrica, la fuente de energía utilizada es la energía eléctri-ca, y se utiliza en hornos eléctricos de arco o en hornos de inducción. En


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estos hornos eléctricos, se realiza la fusión de la chatarra por una corriente eléctrica y un afino posterior.

Horno de inducción. En este tipo de horno, la carga se coloca en un cri-sol rodeado de una bobina magnética, la cual al pasar corriente a través de ella, provoca el calentamiento (efecto Joule) que funde la carga. Es un sis-tema energéticamente eficiente, limpio en comparación con los procesos de siderurgia integral, y con un rango de capacidades que va desde un kilo-gramo, hasta las cien toneladas. Si los aceros van a ser semitransformados, se utiliza el horno eléctrico de arco.

Horno de arco. Estos hornos son los más utilizados en el ámbito indus-trial, y el calentamiento hasta el punto de fusión, se consigue haciendo sal-tar un arco eléctrico entre los electrodos (grafito aglomerado y de hasta 700 mm de diámetro) y la carga (chatarra); este arco genera el calor nece-sario para fundir la carga.

Puerta devertido

Electrodos

Puerta dedesescoriado

Acero fundido

Escoria

Ilustración 1. Horno eléctrico de arco.

En general, un horno eléctrico está formado por un recipiente cilíndrico de acero de entre 15 y 30 mm de espesor, y forrado internamente con una solera de material refractario (cuba), donde se colocará la carga y se fundi-rá generándose un baño de acero líquido y de escoria. La otra parte funda-mental del horno, es la bóveda, la cual cierra la cuba y contiene cuatro agu-jeros pasantes, tres para los electrodos y uno más para la salida de gases, que son evacuados hacia una estación de depuración. Esta bóveda puede ser fija o móvil, variando de esta forma el modo de carga de la chatarra.


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La alimentación se consigue mediante un transformador en el que se consiguen los parámetros de voltaje e intensidad necesarios para hacer saltar el arco.

El proceso de fabricación de acero en horno eléctrico, se puede dividir en dos fases:

Fase de fusión. El comienzo del proceso está marcado por la carga de la cuba del horno con la chatarra y los componentes que forman la escoria (principalmente cal); una vez cargado el horno, se tapa con la bóveda y se bajan los electrodos hasta una distancia adecuada y variable en el tiempo para mantener el arco eléctrico. Este proceso se suele mejorar con la in-yección de oxígeno, que sirve para acelerar la fusión.

Fase de afino. Esta fase se produce tras la fusión de la carga, la cual ya es totalmente líquida, y la intención es favorecer la escorificación y elimi-nación de impurezas (Si, Mn, P), mediante el uso de aditivos y la inyección de oxígeno. Dependiendo de la selección de la chatarra esta parte será más o menos fácil. En esta fase se pueden distinguir tres períodos, que son:

Periodo de oxidación.• Consiste en la inyección de oxígeno, lo que favore-ce la oxidación y permite eliminar impurezas, que transforma en óxidos que pasan a la escoria y quema el carbono que se elimina en forma ga-seosa como CO. Al final de este periodo se efectúa el desescoriado, que consiste en la eliminación de la escoria que flota sobre el baño líquido.

Periodo de reducción.• El objeto de este periodo, es la obtención de un metal con bajo contenido en oxígeno y eliminar la mayor parte del azufre. Esto se consigue añadiendo un desulfurante como la cal, ba-jando el punto de fusión de la escoria con espato y fijando el oxígeno con elementos desoxidantes. La escoria que conseguimos en este caso es desulfurante y desoxidante.

Periodo de ajuste de la composición.• Para conseguir las propiedades y características deseadas en el acero se añaden ferroaleaciones con los elementos químicos que las proporcionan, tales como cromo, niquel, molibdeno, vanadio, etc. Una vez disuelta la aleación, se produce el colado del baño.

El control del proceso se realiza en todas sus fases, empezando por la se-lección de la chatarra que se va a fundir. El muestreo se realiza sobre el baño y las escorias, para controlar el afino y las adiciones de elementos. La rápida obtención de resultados mediante métodos espectrométricos permite la toma


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de decisiones para evitar desviaciones sobre los resultados a obtener. Otra magnitud importante a controlar es la temperatura, muy importante a la hora de controlar las condiciones y velocidad de las reacciones químicas que se producen.

La reducción de costes ha llevado a realizar las operaciones de afino y ajuste definitivo fuera del horno y dedicar este sólo a la fase de fusión, en lo que se denomina metalurgia secundaria o de cuchara.

Ventajas e inconvenientes del horno eléctrico

Ventajas:

Uso como materia prima de chatarra.•

Menor inversión económica.•

Fabricación tanto de aceros aleados o al carbono.•

Inconvenientes:

Demanda irregular de energía eléctrica.•

Gran desgaste de los electrodos.•

17.2.3. Metalurgia secundaria

El objetivo de la metalurgia secundaria es conseguir un acero con las espe-cificaciones requeridas en su uso posterior. Se define como el conjunto de pro-cesos que tienen por objeto transformar el hierro liquido del convertidor o del horno eléctrico en un líquido preparado para solidificar. Para ello es necesario:

Desgasificación. • Proceso por el cual se produce la reducción de la concentración de oxígeno, nitrógeno e hidrógeno en el acero.

Disminuir el contenido en impurezas no metálicas. • Fósforo y azufre.

Controlar la temperatura. • Este control permite afinar las propiedades mecánicas de los aceros, su estructura de solidificación y propieda-des metalúrgicas.

Colada. La transformación del acero para su uso, pasa por solidificarlo y convertirlo en una pieza base para su posterior mecanización. Hoy en día el proceso más utilizado para realizar este paso de solidificación es el de la colada continua, en el que se pasa del acero líquido a los semiproductos.


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Ilustración 2. Proceso de colada continua.


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La colada continua consiste en verter el acero líquido en un molde de fondo desplazable, que le aporta la forma con la que se desea obtener, ya sean estos palanquillas, desbates, planchones o redondos. El producto va tomando forma mientras se va solidificando de manera ininterrumpida hasta que la cuchara acaba de verter.

La colada continua presenta una serie de ventajas como la mayor pro-ductividad, el menor coste frente a la colada en lingoteras y proceso, mejo-ra en la relación de acero producido frente a acero acabado.

17.3. COBRE

Símbolo químico Cu

Densidad 8.960 kg/m3

Punto de fusión 1.083 ºC

Los diversos minerales de cobre aparecen mezclados con minerales como los sulfuros y los minerales oxidados, aunque generalmente son los primeros los que se utilizan para la obtención del cobre.

Sulfuros. Entre ellos: calcopirita, calcosina y los cobres grises.

Minerales oxidados. Compuestos por: malaquita, cuprita y azurita.

Para la obtención del cobre hay principalmente dos métodos, denomi-nados «vía seca» y «vía húmeda».

17.3.1. Metalurgia por vía seca

Se pueden considerar cuatro etapas dentro de este método:

17.3.1.1. Concentración del mineral

Se actúa sobre los minerales pobres para conseguir una mayor concen-tración, mediante métodos de flotación e hidrogravimétricos. De este modo se elimina parte de la ganga y se eleva el contenido en cobre.


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La mayor parte de las menas de sulfuro posee unas concentraciones del orden del 1 al 4%, el proceso de concentración mejora el rendimiento a la hora de fundir el mineral. El método de flotación en espuma, aprovecha que los minerales de cobre son hidrófóbicos y los minerales de la ganga hi-drofílicos. La espuma que contiene el mineral de cobre es retirada mecáni-camente, consiguiendo con esto unos concentrados del orden del 20 al 30%.

17.3.1.2. Eliminación parcial del hierro

En esta etapa se realiza una tostación parcial para eliminar parte del azufre y una fusión para mata, que facilita desde el estado líquido eliminar la escoria que proviene de la ganga, originándose un producto intermedio denominado mata (Cu2S·nFeS).

La tostación parcial busca la oxidación parcial de los sulfuros de los con-centrados por flotación y la eliminación parcial del sulfuro que se encuentra en forma de SO2. La pirita (FeS2) se descompone en FeS y en S. La mayor afinidad del hierro por el oxígeno provoca su oxidación, obteniendo un pro-ducto tostado compuesto por: FeO, Cu2S, FeS, la ganga y óxido de hierro.

La tostación se lleva a cabo, haciendo reaccionar el concentrado con una corriente de aire que se encuentra entre 500 y 700 ºC, y produce una corriente de gases de SO2, en una concentración del 5-15%, que se emplea posteriormente en la fabricación de ácido sulfúrico.

En esta fase se quiere conseguir que:

Con el calor de la tostación calentar la carga antes de introducirla en • el horno de fundición.

Y aumentar la concentración de cobre en el producto de la fundición.•

La fusión para mata, tiene como objetivos, la formación de una fase lí-quida de sulfuro (mata) con todo el contenido de cobre de la carga y una fase líquida de escoria sin cobre.

Si se calienta el producto obtenido en la tostación parcial por encima de los 1100 ºC, este se funde. El hierro se oxida a FeO, y la mayor afinidad del cobre por el azufre, provoca la reacción:

Cu2O + FeS → Cu2S + FeO


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El óxido de hierro que se forma en esta etapa y el de la etapa de tosta-ción se une a la sílice y a la cal, para eliminarse con la escoria.

Cu2O + nFeS + FeO + SiO2 + CaO → Cu2S · n FeS + escoria

Mineral tostado Mata

Se obtienen dos capas líquidas inmiscibles, que por ello se pueden se-parar con facilidad. El contenido medio de la mata es de entre 25 y 45 % de cobre y la escoria suele contener un 0,5 % de Cu.

Para la fusión de la mata se utilizan distintos hornos como son: horno de reverbero, hornos eléctricos y horno de cuba.

17.3.1.3. Conversión de la mata

Con esta etapa se trata la mata de fusión en estado fundido por soplado de aire, y se realiza en dos fases:

1.ª fase. Su intención es la eliminación del hierro, y consiste en una tosta-ción parcial acompañada de fusión escorificante. Se envía una corriente de aire en presencia de sílice, de modo que el sulfuro de hierro se oxida, y se une a la sílice y se elimina con la escoria. Son reacciones altamente exotérmicas.

2Cu2S · n FeS + 3nO2 → 2Cu2S + 2n SO2 + 2 nFeO

2n (SiO2 + FeO) → 2 nFeSiO3

2.ª fase. Para esta fase, sólo se utiliza el Cu2S obtenido en la reacción an-terior, el cual se denomina mata o metal blanco. Se continúa la oxidación y se obtiene el cobre por tostación y reacción, sin producción de escoria.

Cu2S + 1,5 O2 → Cu2O + SO2

2 Cu2O + Cu2S → SO2 + 6 CuCu2 S + O2 → 2Cu + SO2

El producto obtenido en esta fase se denomina cobre blíster.

La conversión de la mata de cobre se lleva a cabo en el convertidor ho-rizontal Pierce-Smith.


429

17.3.1.4. Afino del cobre

El afino comprende dos etapas, que son:

Afino térmico (pirometalúrgico). Este es adecuado cuando el cobre tie-ne la pureza necesaria para una aplicación determinada. Es complicado poder conseguir un 99,99% de pureza con este procedimiento.

Se intenta reducir al máximo la cantidad de azufre y reducir el oxígeno a menos del 0,1%.

El metal se introduce en lingotes en un horno a temperatura de 1.100 ºC, y se efectúa la fusión en atmósfera oxidante, que forma óxido cuproso solu-ble y que reacciona con el metal soluble.

Afino electrolítico. Es el método más empleado a nivel mundial, en el que se consigue un cobre de alta conductividad eléctrica y una separación de impurezas que permite la recuperación de sus elementos más valiosos, como los metales preciosos.

En el proceso electrolítico, el ánodo, lo constituye el metal afinado de la etapa anterior y sobre el cátodo, se deposita cobre purificado.

Concentración del mineral

Eliminación parcial de hierro

Conversión de la mata

Afino

- Tostación parcial- Fusión para mata

- Pirometalurgico- Electrolítico

- Flotación- Gravimetría

- Tostación parcial y fusión escorificante- Oxidación y tostación

Diagrama 4. Etapas de la metalurgia por vía seca del cobre.

En el afino electrolítico hay que destacar el aprovechamiento económi-co de ciertos metales de gran valor. Las impurezas que se encuentran por


430

debajo del cobre en la serie de fuerzas electromagnéticas precipitan; estas impurezas son metales preciosos como oro, platino, plata. Estos lodos anó-dicos suponen menos del 1% en peso, y se recogen periódicamente, se fil-tran, secan y se someten a tratamientos de recuperación. Una vez separa-dos el selenio y el teluro por solubilización del cobre, se funden los metales preciosos en una aleación llamada bullión o doré, que se trata posterior-mente por electrólisis para separar oro y plata.

17.3.2. Metalurgia por vía húmeda

Las técnicas hidrometalurgicas para la extracción del cobre se aplican principalmente a minerales de cobre con oxígeno y a desechos de óxidos y sulfuros de baja ley. Actualmente cerca del 15% del cobre mundial se obtie-ne por esta vía. Básicamente consiste en una disolución seguida de una precipitación del metal.

La disolución se realiza mediante una lixiviación, que consiste en la se-paración del metal por ataque y disolución del mismo a partir de la mena tratada físicamente. Existen varios procedimientos:

Lixiviación in situ. Se realiza sobre explotaciones abandonadas en las que se inyecta el disolvente a través de agujeros y se recoge la solución en la zona más baja del yacimiento.

Lixiviación en escombreras o montones. Igual que en el caso anterior, pero sobre apilamientos mineros.

Lixiviación en cajas. Se construyen dichas cajas en hormigón recubierto de impermeabilizante, y en este caso el mineral a utilizar puede ser más rico.

Lixiviación en reactor. En este caso con un mineral más rico, se realiza una molienda y a veces un tostado, se carga en los reactores donde se rea-liza un ataque mediante un ácido y agitación forzada, para proceder a la extracción del cobre metálico.

Las soluciones generadas por los procedimientos de lixiviado anterio-res, son tratadas para recuperar el cobre que contienen, mediante un fil-trado.

Precipitación. Podemos hablar de dos formas de precipitación, que serían:


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Precipitación por cementación. Se realiza a partir de las disoluciones de lixiviación con hierro, según la reacción:

Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu

El producto que se obtiene es un cobre de poca pureza, sobre el que hay que realizar un afinamiento posterior.

Precipitación electrolítica. En este caso se obtiene un metal muy puro, y además posibilita la recuperación del ácido.

La electrólisis se realiza mediante la reducción del cobre sobre hojas catódicas de inicio y ánodos inertes. Teniendo lugar las reacciones:

Cátodo: Cu2+ + 2e– ↔ Cu afino electrolítico.

Ánodo: H2O ↔ 2H+ + ½ O2 + 2e– descomposición del agua

El ácido que se forma, vuelve a la lixiviación, y debido a que los ánodos son insolubles, no se forman lodos anódicos.

Materia prima

Preparación de la mena

Disolución por lixiviación

Precipitación

- In situ- Escombreras- Por percolación en cajas- Reactores

- Por cementación- Electrolítica

Diagrama 5. Etapas de la metalurgia por vía húmeda del cobre.

El cobre afinado se presenta en tres formas principales, cobre electroa-finado, cobre desoxidado y cobre libre de oxígeno. El primero de ellos, también llamado cátodo electroafinado, abarca el 80% de la producción


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mundial. El cobre desoxidado se emplea con propósitos no eléctricos al contrario que el libre de oxígeno del que se nutre la industria electrónica.

El cobre obtenido, normalmente se trata en procesos de conformado de tipo trabajo en frío y caliente, e incluso recocido, en vez de procesos de cor-te, produciéndose productos semiacabados.

17.4. ALUMINIO

Símbolo químico Al

Densidad 2.698,4 kg/m3

Punto de fusión 659,7 ºC

La materia prima para obtención del aluminio es la bauxita, la cual se somete a un proceso donde se convierte primero en alúmina y posterior-mente en aluminio después de un proceso de electrólisis.

La bauxita está compuesta por:

60 % de Al• 2O3.

23 % de Fe• 2O3.

2,5 % de SiO• 2.

2,8 % de TiO• 2.

14 % de agua.•

En resumen el proceso de obtención se puede resumir en las fases:

Proceso Bayer, donde obtengo la alúmina calcinada.1.

Obtención del aluminio por procedimiento electrolítico.2.

Afino del aluminio.3.

17.4.1. Proceso Bayer

Una vez se ha producido la extracción de la bauxita, esta se somete a pro-cesos mecánicos de quebrantado, desecación y molienda fina. Dado el carácter anfótero del aluminio, se procede seguidamente al ataque con sosa (NaOH) en autoclave, a una temperatura de 170 ºC y presión de 14 atmósferas.


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Una vez se ha tratado al mineral con sosa, se diluye y somete a decanta-ción, enfriamiento y filtración, del que se obtiene un residuo denominado lodo rojo muy contaminante, del que interesa separar la ganga y obtener el máximo de aluminio combinado.

Del ataque con sosa se ha obtenido aluminato sódico (AlNaO2), el cual se diluye, para posteriormente hidrolizar y someter a un proceso de preci-pitación y decantación. Un filtrado final, nos permite obtener hidróxido de aluminio, que se lleva a un horno de calcinación donde alcanza la tempera-tura de 1300 ºC, obteniendo la alúmina calcinada.

Aproximadamente, se puede conseguir una tonelada de alúmina (Al2O3) a partir de 2 toneladas de bauxita y 2,5 toneladas de carbón, del que se obtie-nen los doce millones de Kilocalorías necesarias, y unos 85.103 kilos de sosa.

Bauxita

Quebrantamiento, desecación y molienda fina

Ataque con NaOH en autoclave

Decantación, enfriamiento y filtración

Disolución del aluminato sódico

Hidrolización, precipitación y decantación

Filtración Al(OH)2

Horno de calcinación Alúmina calcinada Al2O3

NaOH

Catalizador Al(OH)2

Fangos rojos

NaOH

Diagrama 6. Esquema de proceso Bayer.


434

17.4.2. Electrólisis de la alúmina

Esta fase busca la descomposición de la alúmina, dentro de una cuba electrolítica, en aluminio y para facilitar esta descomposición, se utiliza un compuesto de fluoruro doble de aluminio y sodio, llamado criolita, que fa-cilita la solubilidad de la alúmina y disminuir la temperatura de fusión.

El baño electrolítico se pone a 960 ºC y el paso de corriente entre ánodo y cátodo, provoca la descomposición de la alúmina y la obtención del alu-minio. El electrolito formado por la alúmina y la criolita, debe ser menos denso que el aluminio, para que se produzca la decantación de este hacia el fondo de la cuba.

La cuba de electrólisis está dividida en una serie de capas: pared de gra-fito, de refractario y de otra de bloques de refractario de grafito. La se-cuencia de deposición en la cuba pasa por colocar primero la criolita en el fondo de la cuba y después la alúmina obtenida en al proceso Bayer.

Cuando pasa la corriente eléctrica, de entre 3 y 5 voltios y una intensi-dad de 100.000 amperios, se produce la descomposición de la alúmina de la criolita y se va depositando el aluminio que alcanza el 99% de pureza en el fondo de la cuba. Este procedimiento genera una costra que es necesario romper, normalmente con un martillo neumático, para proceder a una ali-mentación continua de alúmina y criolita. Los ánodos utilizados son de grafito, para evitar el ataque de de los fluoruros de la criolita, y hay que controlar la distancia de los electrodos sobre el aluminio, para facilitar la descomposición.

Como comentábamos anteriormente, el proceso se realiza de forma continua en la alimentación, siendo lo habitual añadir alúmina cada cua-tro horas y la criolita en periodos de tiempo mayor, esta reposición es ne-cesaria para mantener continuamente una densidad menor que la del alu-minio.

La colada del aluminio se suele efectuar cada 3 o 4 días, mediante un sifonado que al crear una depresión, recoge el aluminio depositado en el fondo, y facilita no extraer impurezas. El aluminio líquido, se transporta en una cuchara a un horno eléctrico de resistencias, donde se desgasifica y eliminan impurezas, de estas las más densas se eliminan por decanta-ción mientras que las menos densas se pueden separar al sobrenadar el aluminio.


435

La cantidad de aluminio producida suele ser de unos 720 kilogramos al día, mediante una corriente de 100.000 amperios. La pureza del aluminio suele ser del 99,85%.

Uno de los mayores inconvenientes de la industria del aluminio es el gran consumo energético que supone su fabricación.

Criolita(50 kilogramos)

Bauxita(4 toneladas)

Sosa(200 kilogramos)

Pasta de electrodos(500 kilogramos)

Aluminio(1 tonelada)

23.000 Kw/hora

Diagrama 7. Material y energía necesaria para obtener 1 tonelada de aluminio.

17.4.3. Afino del aluminio

Este proceso también es de tipo electrolítico, en este caso las cubas son de acero exteriormente e interiormente poseen una pared de magnesia que actúa como refractario; y tiene situada en su parte inferior el ánodo y en la superior el cátodo, ambos de grafito.

Dentro de la cuba se pueden distinguir tres capas:

Capa inferior1. . Está formada por el material a refinar, con un 33% de cobre, de densidad 3 gramos/cm3, creando una aleación anódica.

Capa media2. . Consiste en un electrolito con densidad de 2,7 gramos/cm3, formado por AlF, BaF y BaCl.

Capa inferior3. . Constituida por aluminio refinado, protegida para evi-tar la oxidación de la misma por una costra superficial.


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El afino se realiza en unas condiciones de 750 ºC, y en contra de la que ocurría en el proceso anterior, en este caso el aluminio, se encuentra en la parte superior. Con este proceso se consiguen unos ratios de pureza del or-den del 99,99%.

El siguiente paso es colar el aluminio, normalmente en lingoteras, des-de donde se realizaran las posteriores manufacturas o aleaciones requeri-das. El metal, ya sea por colado en continuo, u obtenido en tochos o en placas hay que prepararlos. Esta preparación consiste en serrar estos pro-ductos adecuándolos al formato que interese, o eliminar las rebabas o des-bastes que resulten defectuosos.

Al igual que en los productos anteriores, principalmente el acero, hay que tener en cuenta para la producción de aluminio, el reciclado o recupe-ración después de su uso, que a día de hoy supera el 20%. La gran ventaja de este proceso, es la importante disminución de la cantidad de energía ne-cesaria para la fusión de los reciclados, del orden de los 500 kwh/Mg, fren-te a los 13.500 kwh/Mg del proceso de reducción.


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1. Señalar las partes más importantes de un horno alto, y comentar las reacciones que tienen lugar en el proceso de obtención del arrabio.

2. Ventajas de la colada continua frente a la colada en lingoteras en la fa-bricación del acero.

3. Comparar densidad, punto de fusión y comportamiento químico del cobre y del aluminio.

4. Comparar conductividad eléctrica de acero, cobre y aluminio. Indicar aplicaciones para cada uno de ellos.

5. Describir el proceso de tostación parcial que se realiza para la obten-ción del cobre. ¿En qué fase del proceso se realiza? ¿Cúal es el motivo para realizar la tostación?

6. Descripción del proceso Bayer.

Tema 18

La biosfera como fuente de materias básicas en la producción de energía

18.1. Introducción: la biosfera y sus constituyentes

18.2. Cultivos agrícolas

18.3. Biomasa

18.4. Plantas de producción de energía a partir de biomasa

18.5. Los residuos ganaderos como fuente de energía

18.6. Los RSU como biomasa combustible


441

OBJETIVOS

Como objetivo amplio se fija conocer las posibilidades de aprovechamiento de re-cursos presentes en la biosfera que permitan su aplicación para producir energía.

Este objetivo general se concreta según:

Conocer los constituyentes de la biosfera.•

Entender las posibilidades que ofrecen los cultivos del agro como fuentes • energéticas.

Conocer los tipos de biomasa y su empleo en la producción de energía.•

Conocer los esquemas de funcionamiento de las plantas industriales de bio-• masa.

Poder plantear alternativas razonadas sobre aprovechamientos de residuos • ganaderos como fuentes energéticas.

Conocer las posibilidades de aprovechamiento de los RSU como combustible.•

Poder establecer condiciones de trabajo idóneas para la gasificación de • aguas residuales y RSU, de forma que se obtengan productos aprovechables como combustible.

RESUMEN

Se estudian las materias primas existentes en la biosfera que permiten la obtención de energía de forma directa o indirecta, resaltando la capaci-dad de la biomasa, así como de los residuos ganaderos y de los residuos urbanos tanto en su aprovechamiento energético como en su vertiente eco-lógica, al contribuir en la mejora ambiental y en el aprovechamiento inte-gral de los residuos.


442

Para la obtención de energía se analizan los tipos de calderas emplea-das para combustionar la biomasa y las condiciones de operación de estos hogares que permiten conseguir los mejores rendimientos térmicos y am-bientales.

18.1. INTRODUCCIÓN: LA BIOSFERA Y SUS CONSTITUYENTES

La biosfera es el conjunto de los seres vivos del planeta Tierra y el me-dio donde se desarrollan. Es, por tanto, el lugar donde tiene lugar la vida. Está formada por la atmósfera, la hidrosfera y la litosfera. Se indican las diferentes materias primas existentes en la biosfera que permiten la obten-ción de energía de forma directa o indirecta, haciendose hincapié en la biomasa, los residuos ganaderos y los residuos sólidos urbanos (RSU), pues se trata de materias primas que cuidan el medio ambiente y reducen el consumo de otras fuentes más contaminantes.

No se han considerado, dentro de las posibles materias primas de la biosfera, el aprovechamiento de animales por considerarlo como caso muy específico y poco significativo en la producción de energía.

BiomasaVegetal

BiomasaAnimal

Biomasa fósil(Carbón)

Biomasaresidual

Biomasanatural

Cultivosenergéticos

Biomasa fósil(Petróleo)

Biomasaresidual

Residuosagrícolas

Residuosforestales

Residuosindustriales

Residuossolidos urbanos

Aguas residualesurbanas

Residuosganaderos

Forestales Agroalimentarios Agrícolas

Figura 18.1. Clasificación de las fuentes energéticas de la litosfera.

LA BIOSFERA COMO FUENTE DE MATERIAS BÁSICAS EN LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA

443

18.2. CULTIVOS AGRÍCOLAS

La agricultura se ha utilizado durante siglos para la alimentación hu-mana y animal (cereales, frutas, hortalizas, tubérculos, forrajes, etc.). Más recientes son los usos industriales de las materias primas provenientes de la tierra. Los más típicos son los cultivos destinados a la industria cosméti-ca, farmacéutica y del papel.

Los productos agrícolas constituyen, juntos a los ganaderos, pesqueros y forestales, la base de la alimentación de los seres humanos. La cantidad de alimentos disponibles es un factor que puede determinar el crecimiento de la población. Desde que se aprendió a cultivar plantas y a domesticar ani-males, se inició un crecimiento exponencial de los habitantes. Esto conlle-va a un aumento de la presión de la industria alimentaria, que se ve obliga-da a aumentar la extensión de tierra cultivable.

Pero no todos los cultivos agrícolas están destinados a la alimentación. Existen otras industrias, como la cosmética, la farmacéutica y la papelera, que necesitan de estos cultivos para subsistir.

La industria farmacéutica emplea, por ejemplo, productos agrícolas para la medicina natural, que está en aumento.

Diferentes aceites y plantas son utilizados en el mundo de la cosmética para crear cremas, maquillajes, exfoliantes, mascarillas, etc. La industria textil también necesita de los cultivos agrícolas, pues un importante com-ponente de la ropa es el algodón.

El papel es producido a través de la celulosa de las maderas procesa-das. La industria papelera tiene un elevado impacto ambiental debido a la deforestación, al alto consumo energético y a la contaminación. Estos efec-tos negativos pueden paliarse mediante la utilización de las mejores técni-cas disponibles en cada explotación maderera.

La intensificación de los cultivos agrícolas puede tener efectos negati-vos sobre la biosfera. Entre ellos destacan la deforestación, el impacto so-bre la fauna y flora de la zona, la erosión de los suelos y la contaminación debido a fertilizantes y pesticidas. Un importante problema que se deriva del uso de los cultivos en la industria no dedicada a los productos comestibles, es que se pone en riesgo la seguridad alimenticia.


444

Pero también se observan ventajas, sobre todo de tipo social, como la introducción de prácticas agrícolas más eficientes o el desarrollo de la zona.

Ninguna de estas aplicaciones es relevante en la producción de energía, salvo los cultivos destinados a la producción de biocombustibles.

18.3. BIOMASA

El carbón sigue siendo, a nivel mundial, una de las materias primas más empleada en la producción de energía, junto al petróleo y al gas. La biomasa va creciendo y, según algunas fuentes, en la actualidad supone algo menos del 10% del consumo mundial de energía.

33,2%

27,2%

20,9%

5,9%

2,3% 9,7% 1%

Petróleo

Carbón

Gas

Nuclear

Hidráulica

Biomasa

Otros

Figura 18.2. Consumo mundial de energía en 2009.

En España, sobre un 11% de energías renovables, la biomasa supone un tercio de este valor, con el objetivo de prácticamente duplicarse en algo menos de diez años.


445

Tabla 18.1. Producción de energía primaria en España (Ktep)

Producto/año 2004 2008 2010 2020

Carbón 20.921 13.983 8.271 10.058

Petróleo 71.054 68.182 62.358 51.980

Gas Natural 24.671 34.782 31.004 38.839

Nuclear 16.576 15.368 16.102 14.490

Renovables 8.854 10.942 14.910 27.878

Total 142.076 143.257 132.644 143.245

La biomasa es la materia orgánica originada en un proceso biológico, espontáneo o provocado, utilizable como fuente de energía. Se obtiene de recursos biológicos forestales como la madera, los residuos agrícolas y ga-naderos.

Existen diversos tipos de biomasa que pueden ser utilizados como re-curso energético:

Biomasa natural (podas naturales).•

Es la producida en la naturaleza sin intervención del ser humano. Este tipo de biomasa presenta un inconveniente, pues la gestión de la adquisición y el transporte del recurso al lugar de consumo puede re-sultar inviable económicamente.

Biomasa residual seca (serrín, cáscara de almendra) y húmeda (resi-• duos ganaderos).

Se trata del subproducto o residuo generado en las actividades agrí-colas (leñosos y herbáceos), silvícolas y ganaderas, en la industria agroalimentaria (alpechines, bagazos, cáscaras, vinazas) y en la in-dustria de transformación de la madera (aserraderos, fábricas de pa-pel, muebles). También se puede obtener de los residuos de depura-doras y el reciclado de aceites, entre otros.


446

Tabla 18.2. Poder calorífico de distintos tipos de biomasa

ProductoPCS (Kcal/Kg) Humedad = 0%

PCI a la humedad x (Kcal/Kg)

x PCI x PCI

Leñas y ramas

Coníferas 4.950 20% 3.590 40% 2.550

Frondosas 4.600 20% 3.331 40% 2.340

Serrines y virutas

Coníferas 4.880 15% 3.790 35% 2.760

Frondosas autóctonas 4.630 15% 3.580 35% 2.600

Frondosas tropicales 4.870 15% 3.780 35% 2.760

Corteza

Coníferas 5.030 20% 3.650 40% 2.650

Frondosas 4.670 20% 3.370 40% 2.380

Vid

Sarmientos 4.560 20% 3.280 40% 2.310

Semillas de uva 4.440 25% 2.950 50% 1.770

Orujillo de uva 4.820 25% 3.240 50% 1.960

Aceite

Hueso 4.960 15% 3.860 35% 2.810

Orujillo 4.870 15% 3.780 35% 2.760

Cascaras de frutos secos

Almendra 4.760 10% 3.940 15% 3.690

Avellana 4.500 10% 3.710 15% 3.470

Piñón 4.930 10% 4.060 15% 3.830

Cacahuete 4.250 10% 3.480 15% 3.260

Paja de cereales 4.420 10% 3.630 20% 3.160

Cascarilla de arroz 4.130 10% 3.337 15% 3.150

Residuo del campo 4.060 10% 3.310 15% 3.090


447

!!

Fotosíntesis

(Plantas)

Animales

(Residuos ganaderos)

Industria

Residuosindustrialesagrícolas yforestales

Ciudadanos

Aguasresiduales

y RSU

BIOMASA

Figura 18.3. Generación de biomasa.

Cultivos energéticos (cardo, girasol, soja...).•

Son cultivos de especies vegetales que se generan con la finalidad de producir biomasa para uso energético. Además de los cultivos existentes para la industria alimentaria (cereales y remolacha para producción de bioetanol y oleaginosas para producción de biodié-sel), existen otros cultivos como los lignocelulósicos forestales (cho-po, sauce) y herbáceos (cardo...).

La existencia de una gran diversidad de biomasas unida al desarrollo de distintas tecnologías de transformación de ésta en energía (com-bustión directa, pirólisis, gasificación, fermentación...) permiten plantear una gran cantidad de posibles usos. Las aplicaciones térmi-cas con producción de calor y agua caliente sanitaria son las más co-munes, pero también se puede producir electricidad, biocombusti-bles y gases combustibles.

Producción de energía térmica.•

Las materias primas más empleadas para las aplicaciones térmicas de la biomasa son los residuos de las industrias agrícolas (cáscaras


448

Energía Térmica Energía Eléctrica Biocombustibles Gases combustibles

BIOMASA

Figura 18.4. Aplicaciones de la biomasa.

de almendras, huesos de aceitunas) y forestales (astillas, serrines) y los residuos de actividades silvícolas (podas, limpieza de bosques) y de cultivos leñosos (podas, arranques). Algunos de estos residuos se transforman en pellets y briquetas, astillas molturadas y com-pactadas, que facilitan su transpor te, almacenamiento y manipula-ción, pero requieren de un tratamiento previo que encarece el pro-ducto final.

La combustión de biomasa puede emplearse para generar calor, el cual puede ser utilizado directamente en la calefacción de hogares, en la cocción de alimentos o en el secado de productos agrícolas. La producción de calor también se puede aprovechar en procesos indus-triales que, en ocasiones, es acompañado de producción eléctrica (co-generación con biomasa).

En general, los procesos tradicionales de este tipo son muy ineficien-tes debido a que parte de la energía liberada es desperdiciada y pue-den causar contaminación cuando no se realizan bajo condiciones controladas.

Producción de energía eléctrica.•

Los combustibles más utilizados en aplicaciones eléctricas son, prin-cipalmente, los cultivos energéticos leñosos de crecimiento rápido (chopo, sauce, eucalipto, coníferas, acacia, etc.) y herbáceos (cardo


449

lleno, miscanto, euforbias, chumberas, etc.). También se utiliza bio-masa residual (restos de cosecha y poda) y el biogás resultante de la fermentación de ciertos residuos (lodos de depuradora, Residuos Só-lidos Urbanos).

El rendimiento neto de la generación de electricidad en las plantas de biomasa es pequeño debido al bajo poder calorífico de la biomasa, su alto porcentaje de humedad y su gran contenido en volátiles. Por ello, se necesitan centrales térmicas especí ficas con grandes calderas, con volúmenes de hogar mayores que si se utilizara un combustible con-vencional, que implica elevadas inversiones y reducen su rendimien-to. Todo ello, unido a la dificultad de aprovisiona miento de la bioma-sa, explica el poco peso de la biomasa destinada a la producción eléctrica en el cómputo global de esta energía.

Con la finalidad de mejorar el rendimiento de las instalaciones y, por tanto, su rentabilidad económica, la innovación tecnológica en este campo está orientada hacia el desarrollo de la gasificación de bioma-sa seguida de la conversión en electricidad. El futuro inmediato, se-gún contempla el PER, incluye la promoción de la combustión con-junta de biomasa y otro combustible (en particular carbón para el caso español) en centrales térmicas ya instaladas.

Producción de biocombustibles.•

Los biocombustibles son productos que se usan como sustitutivos de la gasolina y del gasóleo de vehículos y que son obtenidos a partir de materias primas de origen agrícola. Se distinguen el biodiésel (ob-tenidos a partir de la colza, soja, girasol) y el bioetanol (que se consi-gue a través de la remolacha, caña de azúcar, cereales).

El bioetanol se emplea en vehículos como sustitutivo de la gasolina, bien sea como único combustible o bien en mezclas. El uso del bioe-tanol como único combustible debe realizarse en motores específica-mente diseñados para éste. Sin embargo, el uso de mezclas no re-quiere cambios significativos en los vehículos.

El biodiésel posee muchas características similares al gasóleo, por lo que pueden mezclarse en cualquier proporción y utilizarse en los vehículos diesel convencionales sin necesidad de modificar el diseño


450

Azúcares

Almidones

Celulosas HidrólisisPretratamiento Fermentación

Pretratamientomecánico Fermentación

HidrólisisenzimáticaCocción

Agua

Etanol

Agua

Etanol

Destilación

Fermentación

Destilación

Agua

Etanol

Destilación

Figura 18.5. Esquema de proceso de fermentación alcohólica.

básico del motor. Sin embargo, cuando se emplean mezclas de bio-diésel en proporciones superiores al 5% es preciso reemplazar los conductos de goma del circuito del combustible por otros.

Cada vez más, se normaliza el uso de vehículos que funcionan ínte-gramente con biocombustibles, debido al alza en los precios del pe-tróleo y a las subvenciones que reciben.

Producción de gases combustibles.•

El biogás es una mezcla de gases (principalmente metano) resultado de la descomposición de la biomasa en biodigestores en ausencia de aire.

La producción de biogás ayuda a tratar los residuos biodegradables. Además, la electricidad generada en una planta de biogás puede ven-derse a red o ser autoconsumida, el calor cubre la propia demanda de la planta y el excedente puede utilizarse para calefacciones o siste-mas industriales externos. A mayores se genera un efluente que pue-de aplicarse como abono.


451

Este combustible gaseoso puede transformarse en biometano (elimi-nando el contenido de CO2), consiguiéndose unas cualidades muy parecidas al gas natural. Acondicionando el biometano, éste puede emplearse para inyectarlo en la red de gas natural, en biocarburan-tes y, junto a otros productos, en la combustión en motores de coge-neración.

18.4 PLANTAS DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA A PARTIR DE BIOMASA

La biomasa, además de ser la principal fuente de obtención de energía primaria del mundo, se está convirtiendo desde hace unos años en una de las formas de obtención de energía más utilizadas en la industria y en la generación eléctrica.

Esto es debido al constante encarecimiento de los combustibles «tradi-cionales» (carbón, gas y petróleo) y a que la contaminación que su utili-zación conlleva, propicia la utilización de materias más limpias como la biomasa para obtener energía.

Las plantas de producción de energía a partir de biomasa se han ido desarrollado durante años y hoy en día utilizan diferentes métodos de tra-tamiento para la obtención de energía eléctrica, que van desde la tradicio-nal combustión, hasta métodos biológicos, que emplean bacterias para la obtención de gas que posteriormente será utilizado en un motor de com-bustión o en pilas de combustible.

La forma de transformar la biomasa en energía depende, fundamental-mente, del tipo de biomasa que se esté tratando y del uso que se quiera dar a esta energía. Los sistemas comerciales para utilizar biomasa residual seca se pueden clasificar en función de que estén basados en la combus-tión del recurso (hay gran número de calderas para biomasa en el merca-do) o en su gasificación. Los sistemas comerciales para aprovechar la bio-masa residual húmeda están basados en la pirólisis. Para ambos tipos de recursos, existen varias tecnologías que posibilitan la obtención de biocar-burantes.

La transformación de la biomasa puede dar origen a distintas energías:


452

Tipo de biomasa

Residuos agrícolasResiduos forestalesCultivos energéticos

Residuos sólidos urbanos

Residuos ganaderosAguas residenciales urbanas

Residuos sólidos urbanos

Residuos agrícolasResiduos forestalesCultivos energéticos

Aprovechamiento

Producción térmica

Producción eléctrica







Biocombustible

Biocombustible

Proceso

Combustión directa

Gasificación

Pirólisis

Fermentación alcohólica

Digestión Anaerobia

Esterificación de aceites vegetales

Figura 18.6. Procesos y aprovechamiento de la biomasa.

Como ya se ha indicado anteriormente, la producción térmica es la aplicación más extendida de la biomasa natural y residual. Los sistemas de combustión directa se pueden utilizar directamente para cocinar ali-mentos, para calefacción o secado. Además, es posible aprovechar el va-por que se desprende para producir electricidad o para procesos indus-triales.


453

1. Puerta de caldera

2. Rejilla de parilla aire primario

3. Cámara de combustión

4. Indicador de llenado

5. Espiral de limpieza

6. Conducto de combustión

7. Tapa de limpieza

8. Mecanismo vibrador

9. Zona intercambio de calor fluido

10. Ventilador

11. Limpiador del intercambiador de calor

12. Salida de humos

13. Sonda lambda

14. Sensor de gas

15. Motor sinfín de ceniza

16. Sinfín de ceniza

17. Caja de cenizas

18. Panel de control

Figura 18.7. Caldera de biomasa Powercorn.

La combustión de la biomasa es la reacción química que se produce cuando se combinan los diferentes elementos oxidantes que contiene una atmósfera rica en oxígeno a altas temperaturas, generando calor que pue-de ser utilizado para diferentes procesos.

La reacción que se lleva a cabo en el proceso de combustión de la bio-masa es la siguiente:

C + H2 + O2 + ( N2 , S, ..) → CO2 + H2O + SO2 + NOx + … + Q

Este calor puede ser utilizado directamente en un proceso industrial o para calentar un fluido para su posterior uso en la generación de electrici-


454

dad a través de una turbina, ya sea con un ciclo de vapor o un sistema ORC (Ciclo Orgánico de Rankine).

A continuación, se muestra en la figura diferentes formas de funcio-namiento de una planta de biomasa para la generación de electricidad y calor:

Esquema de una planta de producción de electricidad con biomasa

Esquema de un sistema mixto de red de calefacción centralizaday producción de electricidad

1 Zona de descarga 2 Parque de almacenamiento 3 Sistema de alimentación 4 Caldera de vapor 5 Central térmica 6 Turbina de vapor 7 Generador 8 Energía eléctrica (a la red) 9 Intercambiador calefacción10 Red de calefacción

Gráfico de la central térmica de una red de calefacción centralizada con biomasa

Esquema de una red de calefacción centralizada con biomasa

Energía eléctrica (a la red)

Torre derefrigeraciónZona de

decargaParque de

almacenamiento

Turbina de vaporCentral térmicaCaldera de vapor Generador

Sistema de

alimentación 1 2 3 4

5

6

7

8

9

10

Usuarios

UsuariosParque de

almacenamientoRed dedistribución

Central térmica

Central térmica

AstilladoraSilo

Calderaauxiliar

Retorno de calefacción

Ida de calefacciónChimenea

Recuperadory sistemas

de tratamiento

Calderaprincipal

Figura 18.8. Diferentes funcionamientos de una planta de biomasa (IDAE).

Otro método de obtención de energía es la gasificación, proceso por el cual se produce la descomposición térmica de la biomasa en un entorno de atmósfera pobre en oxígeno y una alta temperatura dando lugar a energía y como subproducto un gas de bajo poder calorífico, como es el monóxido de carbono, que puede ser utilizado como combustible para mo-tores adaptados para dicho fin y con los cuales se podrá obtener energía mecánica, eléctrica e incluso térmica, además de hidrógeno y metano.

Hay que señalar que, en los procesos de gasificación, la humedad de la biomasa debe ser baja para evitar que la evaporización del agua consuma parte de la energía y reduzca el rendimiento del proceso. Asimismo, la temperatura no debe ser inferior a 700 ºC, para obtener un producto con


455

un adecuado rendimiento, pero tampoco ha de ser excesivamente alta (su-perior a 1.500 ºC), ya que se producirían problemas técnicos. El margen de presiones puede oscilar entre 1 y 30 atmósferas.

En la siguiente formulación se muetra cómo se produce la gasificación:

C + ½ O2 → CO + 2.425 kcal/kg

H2 + ½ O2 → H2O + 34.100 kca/kg

BIOMASA

AGUA

AIRE

Tratamientoinicial

Planta de vapor

Planta de oxigeno

Gasificador

Ajustes de Niveles de C2H

Separaciónde residuos

Limpieza

Gas de mediopoder

calorífico

Limpieza y eliminado CO2

Gas de síntesis

Síntesis Separación Combustiblegaseoso

Combustiblelíquido

Figura 18.9. Esquema del proceso de gasificación y productos obtenidos.

De esta manera se puede utilizar la biomasa para obtener energía y, a su vez, generar lo que se denomina gas de síntesis (CO). Este gas, debido a su contenido en nitrógeno y su baja densidad energética, no se suele al-macenar, sino que se utiliza directamente en equipos de combustión para generar electricidad mediante turbinas de gas y generadores eléctricos de-sarrollándose la siguiente reacción:

CO + ½ O2 → CO2 + 2.419 kcal/kg (5.675 kcal/kg de C)


456

Biomasa

Vapor

Humos y cenizas

Aire

Vapor

Recuperación térmica

Caldera Generador

Condensador

Red

de d

istrib

ución

eléc

trica

Figura 18.10. Esquema de generación de electricidad.

Además, se pueden conseguir nuevas formas de aprovechamiento de la biomasa a través de la fermentación metánica, o digestión anaerobia: en este proceso entran como parte activa determinados microorganismos que, en ausencia de oxígeno, generan gases como el metano y el dióxido de car-bono. Este proceso se usa en las plantas de biodigestión de residuos urba-nos, en las depuradoras de aguas residuales y en la fermentación de resi-duos ganaderos.

18.5. LOS RESIDUOS GANADEROS COMO FUENTE DE ENERGÍA

La ganadería clásica ha dado paso a explotaciones ganaderas, con ma-yor intensidad y concentración de animales, para poder usar las tecnolo-gías más avanzadas, aumentar la productividad y reducir los costos, única vía de entrar en un mercado de competencia de productos y de precios. En estas explotaciones, que se comportan como verdaderas fábricas de pro-ductos animales, se aplican unos sistemas de limpieza semejantes a los de la industria para retirar los excrementos de los animales por medio del agua. El resultado de esta limpieza es la generación de un vertido, denomi-


457

nado purines o residuo ganadero, con alto contenido en humedad y mate-ria orgánica. Estos residuos contaminan especialmente la atmósfera (gases de efecto invernadero y olores) y las aguas (nitratos, materia orgánica, etc.). La digestión anerobia de los residuos ganaderos minimiza el proble-ma medioambiental que estos generan.

Tratamientoaeróbico

Biomasa

Digestor anaeróbico

Decantador

ElectricidadCalor

Cortado, mezclado y ajuste de PH

Separador degases ácidos

Pretratamiento

Compost

Gases ácidos Metáno

Figura 18.11. Tratamiento de residuos ganaderos.


458

Estos residuos están formados por las excretas de los animales, por los medios de explotación, limpieza, por derrames de piensos y productos de la explotación ganadera y por restos de animales. Para su mejor análisis, se distinguen dos tipos de residuos ganaderos:

Residuos generados en la explotación ganadera.•

Residuos o subproductos de origen animal.•

El proceso de producción de biogás se desarrolla en tres etapas. En la primera etapa (hidrólisis), una población de bacterias descomponen la ma-teria orgánica en azúcares. En la segunda etapa (acetogénica), los azúcares se transforman en ácidos orgánicos. En la tercera (metanogénica), se pro-duce la transformación de las sustancias anteriormente obtenidas en meta-no (CH4) y gases ácidos (SH2, CO2).

Como ya se ha mencionado, estos residuos son utilizados en plantas para la obtención de biogás a través de la fermentación, el cual se puede utilizar para la producción de electricidad.

La tecnología a utilizar para conseguir energía eléctrica depende del tipo y cantidad de biomasa, pudiendo distinguir dos métodos de obtención de elec-tricidad a través de una turbina de gas, la cual utiliza gas de síntesis proceden-te de la gasificación de un recurso sólido. Además, si los gases de escape de la turbina se aprovechan en un ciclo de vapor, se habla de un ciclo combinado y de un motor alternativo: utiliza gas de síntesis procedente de la gasifica-ción de un recurso sólido o biogás procedente de una digestión anaerobia.

La elección entre un método u otro, suele ser económica, ya que la ins-talación de una turbina de gas exige un desembolso inicial mayor que el de un motor alternativo, pero esta diferencia se reduce a medida que aumen-tamos la potencia eléctrica generada, llegando a ser más rentable la turbi-na para potencias mayores de 2MW.

Sin embargo, la producción de metano que se obtiene en el proceso no es muy elevada. Para aumentar la producción de biogás es factible añadir otros residuos biodegradables a los residuos ganaderos, tales como resi-duos orgánicos agroindustriales (co-digestión).

Se puede concluir que el aprovechamiento energético de los residuos ganaderos tiene dos efectos positivos sobre el medioambiente, ya que se ven reducidas las emisiones de gases de efecto invernadero y las emisiones equivalentes debidas a la fuente fósil que se sustituye.


459

18.6. LOS RSU COMO BIOMASA COMBUSTIBLE

Los residuos sólidos urbanos son aquellos que se originan en los nú-cleos de población como consecuencia de la actividad habitual y diaria del ser humano. Las principales aplicaciones de estos residuos son como fuen-te de energía, aprovechándolos directamente o transformándolos en otras sustancias combustibles o como materia prima para someterlos a un pro-ceso de reciclado y generar otros productos.

El uso de residuos sólidos urbanos para la obtención de energía es una técnica que se viene utilizando desde hace tiempo en España, la cual ha ido evolucionando y que presenta numerosas alternativas a la tradicional incineración.

Vertedero sin ningún tipo de aprovechamiento

RSU

sin re

cupe

ració

nRS

U co

n re

cupe

ració

n

Reutilización

Aprovechamientoenergético

Reciclado (papel, plásticos, vidrio, metal...)

Fabricación de fertilizantes

Incineración

Procesos termoquímicos

Procesos biológicos

Calor

Electricidad

Digestión en digestores

Biogás

Figura 18.12. Recuperación de los RSU.


460

Los diversos procesos a los que pueden someterse los RSU con el pro-pósito de extraer su energía química almacenada ya han sido descritos an-teriormente, sin embargo, debido a las características particulares de estos residuos (composición muy heterogénea), se describirán aquí las diferen-cias principales con los procesos ya comentados, las cuales se centran fun-damentalmente en los pretratamientos y post-tratamientos empleados.

La composición física de los RSU es muy variada y depende de diversos factores. Una composición típica suele ser del 50% de materia orgánica, que es fermentable; 35% de material con la propiedad de ser combustible (papel-cartón, maderas, textiles, plásticos, etc.) y, el resto, constituido por materiales tales como vidrios, metales, etc.

El proceso de recuperación energética más utilizado es la incineración.

Dependiendo del tipo de instalación, los residuos pueden pasar a ali-mentar los hornos o bien pueden someterse previamente a procesos de se-paración en distintos tipos de materiales, con el propósito de reciclar parte del material (si no han sufrido una selección en origen) y/o destinar la ma-teria orgánica a la fabricación de fertilizantes.

En el horno (parrilla, rotativo, lecho fluido) se lleva a cabo la combus-tión de los residuos, transmitiéndose el calor generado por los gases pro-ducidos a una caldera donde el agua que circula por sus tubos se convierte en vapor de agua. Este vapor puede emplearse para accionar una turbina de vapor, la cual mueve un generador eléctrico que se encuentra mecánica-mente acoplado a la misma. Una vez cedida la presión a los álabes de la turbina, el vapor se condensa, bien en una torre de refrigeración o bien en un condensador refrigerado por aire. La combustión, debido a la diversi-dad de materiales que componen el combustible (basura mezclada con arena, dolomita y calizas como neutralizantes), se lleva a cabo con exceso de aire para lograr la combustión completa.

Los gases producidos en la combustión de los residuos deben ser trata-dos antes de ser expulsados a la atmósfera a través de una chimenea. Estos tratamientos tienen como objetivo depurar los gases mediante la elimina-ción de sus contaminantes, fundamentalmente las sustancias tóxicas (dioxinas y furanos).

Los dos métodos comúnmente empleados en el tratamiento de los ga-ses son la pulverización de reactivos semihúmedos (agua y cal) con poste-


461

rior filtrado de partículas y secado y el lavado y secado de gases. Los resi-duos recogidos de estos tratamientos pueden, además, ser tratados.

Otra forma de aprovechamiento de los RSU puede ser utilizando la ma-teria enterrada en los vertederos, la cual sufre un proceso de descomposi-ción que da lugar a la generación de gases (metano). Este gas puede ser captado mediante la instalación de tuberías perforadas que permiten reco-gerlo y conducirlo a la superficie como se observa en la ilustración.

Depósito de gasColector de gas

Materia orgánica en descomposición

Figura 18.13. Recuperación del biogás generado en los vertederos.

Lo anteriormente expuesto puede concluirse en que la biosfera contie-ne recursos naturales que pueden ser utilizados por el ser humano para la producción de energía. Sin embargo, no todos ellos son renovables pues los combustibles fósiles, por ejemplo, son limitados. Pero hay otros recursos que cuidan en mayor medida el medioambiente y tratan de re-ducir los residuos originados. Con la utilización de los diferentes tipos de biomasa, los residuos ganaderos y los RSU para la obtención de energía, se consigue superar dos obstáculos: en primer lugar, reciclar la materia generada en el entorno y que, de otro modo, perjudicaría a la biosfera y, en segundo lugar, reducir el empleo de las fuentes contaminantes como el carbón o el petróleo. Además, una de las ventajas más importantes,


462

desde el punto de vista económico, es que evitan la dependencia econó-mica de otros países.

De todas formas, existe el peligro de que los cultivos energéticos em-pleados para las industrias no alimenticias crezcan de tal modo que se pro-duzca una deforestación, con todo lo que ello implica, o se ponga en riesgo la seguridad alimenticia. Pero esto será una cuestión con la que los países deberán lidiar, a través de legislaciones que protejan al medioambiente y a la subsistencia del ser humano.


463


1. Indicar los recursos naturales que pueden emplearse como biomasa.

2. Comentar las posibilidades de empleo de cultivos agrícolas como com-bustibles.

3. Dar al menos tres razones para emplear la biomasa como fuente ener-gética frente a gasóleo.

4. Discutir la bondad de emplear el combustible procedente de los RSU frente a residuos de poda y limpieza de masas boscosas.

5. Calcular la biomasa necesaria para la generación de 1MW, teniendo en cuenta que la potencia necesaria para generar el caudal de vapor es de 2700 kW y el PCI de la biomasa es 5.000 kcal/kg. Suponer que el rendi-miento de la caldera es del 90%.

Notas: 1kW = 860 kcal/h; 1cal = 4,1855 J

Solución:

En primer lugar, se pasan los datos al Sistema Internacional:

Potencia necesaria⎛⎝⎜⎜

Jkg ⎛

⎝⎜⎜= 5.000.000

⎛⎝⎜⎜

calkg ⎛

⎝⎜⎜× 4,1855

⎛⎝⎜⎜

Jcal ⎛

⎝⎜⎜= 20.927.500

⎛⎝⎜⎜

Jkg ⎛

⎝⎜⎜

Para calcular el consumo de biomasa se tiene en cuenta la fórmula [1]:

Consumo de biomasa⎛⎝⎜⎜

kgh ⎛

⎝⎜⎜= ⎛

⎝⎜⎜

Potencia necesaria (W)

PCI Biomasa

⎛⎝⎜⎜

Jkg ⎛

⎝⎜⎜ ⎛

⎝⎜⎜ [1]


kgh ⎛

⎝⎜⎜= ⎛

⎝⎜⎜

2.700.000 (W)

20.927.500

⎛⎝⎜⎜

Jkg ⎛

⎝⎜⎜ ⎛⎝⎜⎜= 0,13

⎛⎝⎜⎜

kgs ⎛

⎝⎜⎜= 464,46

⎛⎝⎜⎜

kgh ⎛

⎝⎜⎜

Por lo tanto, con un rendimiento de la caldera del 100%, se necesitarían 464,46 kg/h de biomasa. Pero es del 90%:


kgh ⎛

⎝⎜⎜=

⎛⎝⎜⎜

464,46

⎛⎝⎜⎜

kgh ⎛

⎝⎜⎜

0,9

⎛⎝⎜⎜

= 516,07⎛⎝⎜⎜

kgh ⎛

⎝⎜⎜ [1]

Se concluye que para generar 1 MW de potencia se necesitan 516,07 kg/h de biomasa.


464

6. Cálculo del coste de la materia prima teniendo en cuenta que se necesi-tan de 0,66 T/h de biomasa para la generación de 1 MW.

Nota:

OperaciónCoste

(€/tonelada verde)

Corte con poda, despunte y arrastre 18

Desembosque de troncos en roll hasta cargador 7

Transporte hasta planta < 50 11

Total del coste en planta 36

Factor de corrección del 1% por tratarse de materia prima verde.

Factor de corrección del 7% correspondiente al pago al propietario de la extensión forestal.

Solución:

Se calculan el coste de la materia prima producidos por hora, por día, por semana, por mes y por año:

Coste ⎛⎝⎜⎜

€h ⎛

⎝⎜⎜

= Biomasa

⎛⎝⎜⎜Th ⎛

⎝⎜⎜× Coste en planta

⎛⎝⎜⎜

€T ⎛

⎝⎜⎜× Factor de corrección × Tiempo

Coste por hora = 0,66⎛⎝⎜⎜Th ⎛⎝⎜⎜× 36

⎛⎝⎜⎜

€T ⎛

⎝⎜⎜× 1,08 = 25,7

⎛⎝⎜⎜

€h ⎛

⎝⎜⎜

Coste por día = 0,66⎛⎝⎜⎜Th ⎛

⎝⎜⎜× 36

⎛⎝⎜⎜

€T ⎛⎝⎜⎜

× 24

⎛⎝⎜⎜

hdía ⎛

⎝⎜⎜× 1,08 = 615,9

⎛⎝⎜⎜

€día ⎛

⎝⎜⎜

Coste por semana = 0,66⎛⎝⎜⎜Th ⎛

⎝⎜⎜× 36

⎛⎝⎜⎜

€T ⎛

⎝⎜⎜

× 168

⎛⎝⎜⎜

hsemana ⎛

⎝⎜⎜× 1,08 = 4.311

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Coste por mes = 0,66⎛⎝⎜⎜Th ⎛

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× 720

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Coste por año = 0,66⎛⎝⎜⎜Th ⎛

⎝⎜⎜× 36

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× 8.700

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⎝⎜⎜× 1,08 = 223.348,9

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Deberán destinarse 223.248,9 €/año para la recolección de la biomasa.

Tema 19

Combustibles

19.1. Definición y tipos de combustibles fósiles

19.2. Combustibles en base a carbón

19.2.1. Carbón como combustible directo: ventajas e inconvenientes

19.2.2. Tipos de carbón y su caracterización: análisis químico y análisis técnico o inmediato

19.2.3. Pirogenación y destilación del carbón19.2.4. Gasificación del carbón e industrias derivadas19.2.5. Hidrogenación del carbón

19.3. Combustibles a partir de petróleo

19.3.1. Caracterización de petróleos19.3.2. Operaciones de refinería: Objetivos y productos19.3.3. Gases licuados del petróleo (GLP)19.3.4. Gasolinas:

19.3.4.1. Tipos y especificaciones (BOE y normas UNE)

19.3.4.2. Condiciones para su uso en motores19.3.4.3. Índice de octano

19.3.5. Gasóleos

19.3.5.1. Gasóleos de automoción19.3.5.2. Gasóleos agrícola y marítimo19.3.5.3. Gasóleos de calderas (Calefacción)

19.3.6. Combustibles de aviación19.3.7. Fueles

466

19.4. Gas natural

19.4.1. Caracterización 19.4.2. Transporte y almacenamiento19.4.3. Consideraciones sobre su combustión19.4.4. Seguridad en instalaciones


467

OBJETIVOS

Como objetivo general se fija el conocimiento de los combustibles fósiles y sus posibilidades de uso en la industria.

Para cada combustible se marcan objetivos más concretos como:

Conocer los distintos tipos de carbones y sus posibilidades de empleo como • combustibles directos.

Analizar de forma razonada la necesidad de buscar otras alternativas al uso • directo del carbón.

Conocer las técnicas de aprovechamiento integral de los carbones.•

Conocer los productos derivados de la pirogenación, la gasificación y la hi-• drogenación del carbón.

Conocer los diferentes combustibles que pueden obtenerse del petróleo.•

Conocer las propiedades y características de los GLP.•

Conocer los tipos de gasolina y sus principales especificaciones de uso.•

Discernir entre gasolinas y otros combustibles para motores, justificando • sus diferencias.

Saber razonar los usos de los fueles, justificando las razones de sus limita-• ciones en ciertos motores y en calefacción.

Conocer la normativa de seguridad en la manipulación de gases.•

Proporcionar la importancia debida a las operaciones de licuación y gasifi-• cación del gas natural.

Conocer los parámetros que definen las consideraciones imprescindibles • para su combustión.


468

RESUMEN

Se describen los diferentes tipos de combustibles procedentes de la des-composición de la materia orgánica.

Se inicia con el estudio del carbón mineral, comentando su formación, sus tipos desde la turba a la antracita y las formas de caracterizarlo. Se in-dican las principales propiedades que definen sus aplicaciones, como es el poder calorífico, su contenido en volátiles y la proporción de cenizas.

La dificultad de emplearlo directamente se justifica y se proponen téc-nicas alternativas para su aprovechamiento, como son la pirogenación y la gasificación.

Los combustibles en base a petróleo, desde los gases a los fueles, son descritos estudiando sus propiedades más características como el índice de octano para las gasolinas y el índice de cetano para los gasóleos. Se descri-ben algunos ensayos y se discute la importancia de otros, como la curva de destilación, para conocer mejor su comportamiento en los motores.

Para el gas natural se indican sus aplicaciones como combustible, se in-dica la normativa para su manipulación segura y se discuten algunas de las especificaciones fijadas en el real decreto que regula su uso.

19.1. DEFINICIÓN Y TIPOS DE COMBUSTIBLES FÓSILES

Se conocen como combustibles fósiles a aquellas materias primas, for-madas por descomposición de la materia orgánica procedente de plantas y otros organismos vivos que fueron sepultadas hace millones de años y so-metidas a condiciones de presión y temperaturas definidas, empleadas, con carácter general, en la producción de energía por su reacción con oxí-geno (combustión). El carbón en todas sus variedades, las pizarras bitumi-nosas, el petróleo y el gas natural son sus formas más conocidas.

Carbón

El carbón mineral es una roca sedimentaria, originada en eras geológi-cas remotas (hace más de 250 millones de años, periodo carbonífero). Al descomponerse la materia orgánica por acción biológica en medio anaero-

COMBUSTIBLES

469

bio, se disminuía la proporción de átomos de oxígeno e hidrógeno, incre-mentándose el de carbono.

En función del tiempo de formación el contenido en carbono varía au-mentando en detrimento de los otros componentes, desde el 50% inicial de la turba hasta casi el 96% que pueden tener algunos tipos de antracita. Cualquier compuesto que contenga más de un 95% de carbón puede consi-derarse carbono puro o grafito, y sólo arde a temperaturas muy elevadas, por lo que no tienen aplicación como combustible doméstico.

La formación de los carbones, en función del tiempo, sigue la serie ma-dera, turba, lignito, hulla y antracita

Petróleo

El petróleo es un líquido oleoso, cuyos productos y derivados tienen un sinfín de utilizaciones, desde la elaboración de plásticos hasta combusti-bles para motores. El petróleo se encuentra en yacimientos dispersos por numerosos puntos de la corteza terrestre. Está compuesto por gran canti-dad de hidrocarburos, la mayor parte de ellos alifáticos de cadena abierta, junto a otros hidrocarburos cíclicos y aromáticos. Sus características y propiedades se tratan en el tema de petroquímica.

Gas

El gas natural, mezcla compleja de gases, como se comenta al hablar de petroquímica, se halla en yacimientos aislados y, en ocasiones, junto al pe-tróleo. Su principal componente es el metano. De la mezcla de gases se suelen separar, por licuación, los hidrocarburos de tres carbonos en ade-lante, que son envasados a presión y empleados como combustibles adicio-nales, como el propano o el butano. La fracción gaseosa del metano y el etano es distribuida a través de gasoductos y es lo que se conoce en la práctica como gas natural.

Derivados

De las diversas fracciones de petróleo, las que tienen aplicación como combustible son las siguientes:


470

Fracción Aplicación

Gases Combustible, Gasolina de Polimerización, Negro de Humo

Gasolina Combustible para motores, disolventes

Queroseno Combustible, alumbrado

Gasoil Combustible motores Diesel, gasolina por craqueo

Coque de petróleo Combustible, reductor, fabricación de electrodos

19.2. COMBUSTIBLES EN BASE A CARBÓN

19.2.1. Carbón como combustible directo: ventajas e inconvenientes

El carbón es una de las principales fuentes de energía en la Comuni-dad Europea ya que proporciona casi el 40% de las necesidades de gene-ración eléctrica. Con unas reservas mundiales que se calcula durarán más de 200 años. Son cinco veces superiores a las de gas y las de petró-leo, además de estar distribuidas más uniformemente por el planeta y ser más accesibles. En la Comunidad Europea se queman más de 300 millo-nes de toneladas de carbón y 200 millones de toneladas de lignito (o car-bón bituminoso) y turba por año. Se prevé que esa cantidad aumentará hasta en un tercio en los próximos años dependiendo de cómo vaya in-crementándose el coste del petróleo y gas. En la actualidad en Europa se están desarrollando una serie de tecnologías, en base a su gasificación, que convierten el carbón en un combustible más limpio que sus competi-dores el gas y el petróleo.

El carbón suministra el 25% de la energía primaria consumida en el mundo, sólo por detrás del petróleo. Además es de las primeras fuentes de energía eléctrica, con 40% de la producción mundial.

Las aplicaciones principales del carbón son:

Directamente:

Coque. El coque es el producto de la pirólisis del carbón en ausen-1. cia de aire. Es utilizado como combustible y reductor en distintas in-

COMBUSTIBLES

471

dustrias, principalmente en los altos hornos (coque siderúrgico). Dos tercios del acero mundial se producen utilizando coque de carbón, consumiendo en ello 12% de la producción mundial de carbón.

Industrias varias. Se utiliza en las fábricas que necesitan mucha ener-2. gía en sus procesos, como las fábricas de cemento y de materiales de construcción.

Uso doméstico. Históricamente el primer uso del carbón fue como 3. combustible doméstico. Aún hoy sigue siendo usado para calefac-ción, principalmente en los países en vías de desarrollo, mientras que en los países desarrollados ha sido desplazado por otras fuentes más limpias de calor (gas natural, propano, butano, energía eléctri-ca) para rebajar el índice de contaminación.

Indirectamente:

Generación de energía eléctrica. Las centrales térmicas de carbón 1. pulverizado constituyen la principal fuente mundial de energía eléc-trica. En los últimos años se han desarrollado otros tipos de centra-les que tratan de aumentar el rendimiento y reducir las emisiones contaminantes, entre ellas las centrales de lecho fluido a presión. En ellas solamente entre un 2 y 3 % del lecho fluido es carbonoso, el resto está compuesto de material inerte (arena) que transmite el ca-lor necesario y amortigua el efecto de las posibles fluctuaciones en el poder calorífico del combustible, debidas a sus variaciones de hume-dad y/o composición. Cuando es preciso reducir el contenido en azu-fre del combustible se suele añadir caliza al lecho fluido para lograr su retención.

Los ciclos combinados son otra tecnología en auge, en la que utiliza 2. como combustible gas de síntesis obtenido mediante la gasificación del carbón.

Petróleo sintético. Mediante el proceso de licuefacción directa, el 3. carbón puede ser transformado en un crudo similar al petróleo. La licuefacción directa fue practicada ampliamente en Alemania du-rante la Segunda Guerra Mundial y en otras ocasiones en que no se disponía de petróleo, siendo abundante el carbón. Actualmente está en desuso, no existiendo en el mundo ninguna planta industrial a gran escala.


472

19.2.2. Tipos de carbón y su caracterización: análisis químico y análisis técnico o inmediato

Turba

Posiblemente el primer combustible fósil utilizado por el hombre fuera la turba, primera fase en la formación del carbón. Los yacimientos de tur-ba se hallan en los pantanos, en zonas con unas determinadas condiciones climáticas y topográficas, ya que el suelo debe ser capaz de retener el agua en la superficie o cerca de ella, y la temperatura debe ser tal que no se pro-duzca una evaporación y una putrefacción rápida.

La formación de turba constituye la primera etapa del proceso por el que la vegetación se transforma en carbón. Las turberas están distribuidas por todo el mundo. Hay extensos depósitos en el norte de Estados Unidos, Canadá, Rusia, los países escandinavos, Inglaterra e Irlanda. La turba seca, comprimida en ladrillos, se usa en muchos países de Europa, sobre todo en Irlanda, como combustible, aunque no es tan eficaz como el carbón, de-bido a su elevado contenido en agua y cenizas.

Lignito

Como consecuencia de la propia temperatura del interior de la Tierra y de la presión ejercida por las capas de arena y lodo acumuladas sobre la turba, primero se formó el lignito, sustancia blanda de color marrón, que es considerada como carbón a medio formar.

Desde el punto de vista geológico, el lignito es de origen reciente pues se encuentra en los estratos del cretácico y del terciario. Suele tener color negro pardo y estructura fibrosa o leñosa. Tiene una capacidad calorífica inferior a la del carbón común (6.700 kcal/mol) debido al gran contenido de agua (43,4%) y bajo de carbono (37,8%); el alto contenido de materia volátil (18%) provoca la desintegración rápida del lignito expuesto al aire. Es muy frecuente en los países de Europa del este y España, en especial en la provincia de Teruel y en la cuenca del Llobregat.

Hulla

La hulla o carbón bituminoso, es el carbón más abundante y utilizado en la actualidad, tiene un contenido de carbono aún mayor, por lo que su

COMBUSTIBLES

473

poder calorífico también es superior, según McKenzie- Taylor se formaría a partir de la turba en condiciones alcalinas y anaerobias.

Antracita

La antracita, de color negro brillante, es el carbón más evolucionado. De todos los tipos de carbón es el más duro con el mayor contenido de car-bono fijo y el menor contenido de material volátil. Contiene aproximada-mente un 87,1% de carbono, un 9,3% de cenizas y un 3,6% de materia vo-látil. Se utiliza sobre todo como combustible y como fuente de carbono industrial. Aunque se inflama con más dificultad que otros carbones, la an-tracita libera una gran cantidad de energía al quemarse y desprende poco humo y hollín.

La presión y el calor adicionales pueden transformar el carbón en grafi-to, que es prácticamente carbono puro.

Los principales productores mundiales de antracita son: China, la anti-gua Unión Soviética, Corea del Norte, Corea del Sur, España, Alemania y Estados Unidos. Es el carbón con el mayor contenido en carbono y el máximo poder calorífico.

Republica PopularChina Resto

72 Colombia83 Kazajistan

90 Polonia

Indonesia

Rusia

Sudafrica

Australia

IndiaEstados Unidos

de América

2549277

231

241

244

452981

323

Producción (estimada) de antracita y carbón bituminosopor países en 2007 (en millones de toneladas)


474

19.2.3. Pirogenación y destilación del carbón

La destilación o pirogenación, se consigue calentando el carbón, hasta unos 1000 ºC, descomponiéndose en gases y líquidos; El residuo de la piro-genación (65-80%) se denomina coque de gran utilidad como combustible y como agente reductor

Los mejores resultados de la pirogenacón los proporcionan las hullas.

Al calentar el carbón aparecen una serie de fenómenos de expulsión de gases retenidos y de descomposición de la materia carbonosa:

Hasta 100 ºC: se desorbe el agua y aire retenidos en las partículas de • carbón.

Entre 100-300 ºC: continúa la desorción de gases volátiles (CH• 4, C2H4, SH2, CO, CO2….) y a partir de 300 ºC aparecen los primeros líquidos.

Entre 400-550 ºC: se produce la fusión acompañada de una contrac-• ción de volumen y posterior dilatación e inmediatamente se originan procesos de despolimerización, con desprendimiento de H2 y aparición de carbonilla.

A partir de 700 ºC se inician las reacciones de craquing y la forma-• ción de coque.

19.2.4. Gasificación del carbón e industrias derivadas

El objetivo de la gasificación del carbón es conseguir un combustible gaseoso limpio y flexible para la alimentación de plantas industriales, aisla-das de suministros de gas natural y para centrales generadoras de energía de ciclo combinado. Aunque se hayan desarrollado una gama de pequeños gasificadores de lecho fijo y lecho fluidizado con inyección de aire, su ex-plotación se ha visto limitada por el precio relativamente bajo de los com-bustibles alternativos líquidos y gaseosos que se ofrecen en la actualidad.

Como productos de partida para la gasificación pueden emplearse ade-más de los diferentes carbones, pizarras, coques y fracciones pesadas resi-duales de refinería.

COMBUSTIBLES

475

La gasificación consiste en transformar en gases toda la materia carbo-nosa, mediante reacción del carbón con oxígeno, aire, vapor de agua y óxi-dos de azufre y de carbono. Según el agente gasificante, aparecen gases de composición diversa que pueden utilizarse como combustible, en unos ca-sos, y como materia prima química en otros.

19.2.5. Hidrogenación del carbón

Las diferencias observadas entre distintas materias primas hidrocarbo-nadas y algunas fracciones de petróleos son fácilmente subsanables por craqueo e hidrogenación posterior.

Se pensó que por craqueo térmico e hidrogenación simultánea se de-gradarían los edificios moleculares hasta el tamaño deseado, se saturarían con H2 la moléculas producidas y el N, O y S pasarían a la fase gaseosa en forma de NH3, H2O y SH2, fácilmente separables.

Al igual que en la gasificación puede partirse de cualquier carbón o fracción petrolífera pesada como alimentación de los procesos de hidroge-nación. Estos mejoran su rendimiento empleando aceites que ayuden a mantener las partículas carbonosas en suspensión para mejorar el contac-to y favorecer las reacciones.

El carbón finamente pulverizado se mezcla con el catalizador, el aceite y el hidrógeno, comprimiendo la mezcla hasta 400 atm, calentándola a 500 ºC durante el tiempo fijado para que se completen las reacciones de hi-drogenación. Los productos obtenidos se conducen a una unidad de frac-cionamiento para su separación.

19.3. COMBUSTIBLES A PARTIR DE PETRÓLEO

19.3.1. Caracterización de petróleos

Las características del petróleo se tratan en el tema de petroquími-ca. Las variables principales para su definición y caracterización son composición química, densidad, temperatura media de ebullición y vis-cosidad.


476

Suele tipificarse en función de su densidad como:

Tipo de crudo Dnsidad (g/cc) Densidad ºAPI

Extrapesado >1,0 10,0

Pesado 1,00-0,92 10,0-22,3

Mediano 0,92-0,87 22,3-31,1

Ligero 0,87-0,83 31,1-39,0

Superligero <0,83 >39

Los petróleos ligeros son también los más requeridos en el mercado por su mejor calidad y menores costes de explotación.

En el mundo existen alrededor de 161 zonas petroleras, cada una de ellas produciendo petróleo de diferentes características. No obstante, es común determinar el precio de mercado de la producción de una zona en comparación con aquel petróleo referencial que se encuentra próximo geo-gráficamente.

Los dos petróleos referenciales más conocidos y de uso difundido en el mundo son el americano West Texas Intermediate (WTI) y el del Mar del Norte, Brent Blend (o Brent).

El WTI• , es un petróleo ligero (39,6 ºAPI) y dulce (0,24% deazufre). Su alta calidad lo hace ideal para la producción de gasolinas

El Brent • es una combinación de crudos de veinte campos petroleros del Mar del Norte, cuyas producciones se envían hacia la terminal de Sullom Voe (Escocia) para su posterior comercialización. Su densidad (38,3 ºAPI) y su bajo contenido en azufre (<0,40 %), lo define como un petróleo ligero y dulce, pero en menor escala que el WTI, siendo ideal para la producción de gasolinas y destilados intermedios.

Suele considerarse también, como valor referencial para Oriente Medio, y en mercados internacionales, la Bolsa de Crudos de la OPEP, como media de la calidad de once crudos producidos por sus países miembros.

COMBUSTIBLES

477

19.3.2. Operaciones de refinería: objetivos y productos

En los primeros tiempos, el proceso de refino se contentaba con sepa-rar los productos preexistentes en el crudo en función de su temperatura de ebullición.

Los franceses comenzaron a refinar su petróleo, calentándolo en una gran «cafetera». Así, por ebullición, los productos más volátiles salian pri-mero y a medida que la temperatura subía, le llegaba el turno a los más pe-sados. Se obtenía un residuo denominado brea o alquitrán, que por calci-nación se transformaba en coque, excelente materia prima para los hornos metalúrgicos de la época.

Las empresas de ingeniería americanas y alemanas introdujeron los alambiques en cascada, sistema en que cada parte (cilindro) era manteni-da a una temperatura constante. El petróleo penetraba en el primer anillo o cilindro y una vez recuperado la fase evaporada, pasaba al siguiente, que se encontraba a mayor temperatura y así sucesivamente hasta el último anillo, desde el que se sangraba la brea.

Los principios básicos en las operaciones de refino del crudo son los procesos de destilación y de conversión. En ellos se calienta el petróleo en hornos de proceso y se conduce a columnas o torres de separación o frac-cionamiento y plantas de conversión (craqueo, ..).

Los combustibles líquidos y gaseosos son los principales productos que salen de la refinería y, entre ellos cabe resaltar la gasolina. El volumen de gasolina que cada refinería obtiene está en función del objetivo marcado y del esquema que utilice, pudiendo darse como valor medio rendimientos del 40-50 % del crudo entrante.

En la tabla siguiente se indican los productos del fraccionamiento y sus principales usos.

Producto ComposiciónDestilación

(ºC)Utilidad

Gases Hidrocarburos <C5 (metano, etano, propano, butano y olefinas <C3)

< 30 °C Combustibles, plásticos

Éter de petróleo Hidrocarburos C5-C7 30-80 °C Disolventes. Lavado en seco


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Producto ComposiciónDestilación

(ºC)Utilidad

Gasolina Hidrocarburos C7-C12 80-200 °C Combustibles para motores. Disolventes

Queroseno Hidrocarburos C12-C15 200-250 °C Combustible en aviación. Calefacción

Gasóleo Hidrocarburos C16-C18 250-350 °C Combustible para motores diésel y hornos

Aceites lubricantes Hidrocarburos >C20 >350 °C Lubricación

Asfalto Residuo sólido negro — Firmes de carreteras, Impermeabilizantes

19.3.3. Gases licuados del petróleo (GLP)

La denominación GLP se aplica a diversas mezclas de propano y buta-no que se encuentran como gases a temperatura y presión atmosférica, y que tienen la propiedad de pasar a estado liquido a presiones relativamen-te bajas, propiedad que se aprovecha para su almacenamiento y transporte en recipientes a presión.

Su empleo se inició en Estados Unidos hacia 1910, al comprobar que la gasolina natural no refinada tenía una gran tendencia a evaporarse por la presencia de estos hidrocarburos ligeros.

Veinte años después eran ya varias empresas las que habían entrado en este mercado, y como innovaciones técnicas de esta época tenemos los pri-meros vagones para transporte de GLP por ferrocarril, y el establecimiento de plantas de llenado de botellas por todo Estados Unidos. En Europa, la primera botella se vendía en Francia en 1934.

Los GLP pueden encontrarse formando parte del crudo y del gas natural; sin embargo existen diversos procesos de refinería que los pueden producir.

En caso de encontrarse asociados al gas natural, los GLP, tienen el ries-go de permanecer en fase líquida en las redes de distribución al tratarse de componentes con menor presión de vapor y puntos de de ebullición más

COMBUSTIBLES

479

altos que el metano. Por ello es preciso tratar el gas natural, antes de ini-ciar su trasporte, separando el metano del resto de hidrocarburos asocia-dos, fundamentalmente C2-C5.

El alto poder calorífico de los GLP, en relación con el resto de los gases comerciales, 12.052 Kcal/Kg para propano y 11.867 Kcal/Kg para butano, presenta la ventaja de que para obtener una misma cantidad de energía to-tal, se requieren menores diámetros de las conducciones utilizadas para la distribución del gas en fase gaseosa, si bien las presiones no pueden sobre-pasar un determinado valor porque se producirían condensaciones en las canalizaciones. Como comparativa indicamos que 1 Kg de propano equi-vale aproximadamente a la energía proporcionada por: 1,24 m³ de gas na-tural; 1,20 lt. de fuel-oil; a 3 m³ de gas ciudad; 1,30 lt. de gasoil; 3 a 6 Kg de leña; 14 kWh de electricidad; a 2 Kg de carbón.

Desde el punto de vista comercial, cuando nos referimos a propano ha-blamos de una mezcla del 80% de hidrocarburos C3 y un máximo del 20% de hidrocarburos C4. Por su parte, lo que se vende bajo la denominación butano es una mezcla de 80% de hidrocarburos C4 como mínimo y un máximo del 20% de hidrocarburos C3. Las proporciones anteriores pueden variar en función de la aplicación que se dé al gas.

A presión atmosférica y temperatura ambiente (1 atmósfera y 20 °C), el GLP se encuentra en estado gaseoso. Para obtener líquido a presión at-mosférica, la temperatura del butano debe ser inferior a –0,5 °C y la del propano a –42,2 °C. En cambio, para obtener líquido a temperatura am-biente, se debe someter al GLP a presión. Para el butano, la presión debe ser de más de 2 atmósferas. Para el propano, la presión debe ser de más de 8 atmósferas.

Un litro de líquido puede transformase en 272,6 litros de gas para el propano y 237,8 litros de gas para el butano. En su estado puro, tanto el bu-tano como el propano son inodoros; sin embargo, para hacerlos más fácil-mente detectable en el caso de fugas, se les añade un compuesto odoriza-dor (sulfuro de mercaptano) que los hace perceptibles antes de que la mezcla GLP-aire pueda ser explosiva.

Tanto el propano como el butano no son tóxicos, aunque al ser mas pe-sados que el aire tienden a desplazarlo y pueden provocar la muerte por asfixia al impedir que el aire llegue a los pulmones y oxigene la sangre.


480

Sus características de alta pureza, prácticamente exentos de azufre y la homogeneidad de sus componentes, hacen sencillo su uso y el ajuste del aire necesario para la combustión estequiometrica de estos productos. Su campo de aplicación es, en general, el calentamiento directo. En su empleo doméstico tiene todas las ventajas de ser un combustible gaseoso, propor-cionandole un valor añadido frente a otros combustibles.

Su comercialización está claramente diferenciada en función de la for-ma de almacenamiento y distribución, en:

GLP envasado, que se utiliza casi exclusivamente como combustible • doméstico para la cocina, el agua caliente y la calefacción.

GLP almacenado en depósito fijo, que se utiliza principalmente en • los sectores domésticos, residencial, comercial, en la agricultura, y en determinadas industrias

GLP automoción, para su uso como carburante.•

Cuando la temperatura ambiental es demasiado baja, la capacidad de vaporización del propano en el depósito (calor latente de vaporización del propano 90 kcal/kg.) no es suficiente para el caudal de gas propano de-mandado y se hace preciso el empleo de vaporizadores.

19.3.4. Gasolinas

19.3.4.1. Tipos y especificaciones (BOE y normas UNE)

Las especificaciones técnicas para las gasolinas destinadas a ser utiliza-das en vehículos equipados con un motor de encendido por chispa son las que figuran en el anexo I del Real Decreto 1088/2010 con las particularida-des que a continuación se indican:

Las gasolinas a las que se adicione bioetanol podrán tener en el pe-a) riodo estival (del 1 de mayo hasta el 30 de septiembre), la presión de vapor máxima establecida en el anexo I, y además, el rebasamiento de la presión de vapor autorizado en el anexo II. Esta excepción de-berá ser autorizada por la Comisión Europea según lo establecido en la Directiva 2009/30/CE, del Parlamento Europeo y del Consejo, de 23 de abril de 2009.

COMBUSTIBLES

481

ANEXO IEspecificaciones de las gasolinas


482

Se prohíbe la comercialización de gasolina con plomo salvo la de ga-b) solinas con contenido de plomo inferior a 0,15 gramos por litro para uso en vehículos antiguos de tipo especial, hasta un máximo de 0,03 por ciento de las ventas totales de gasolinas en el mercado nacional, y cuya distribución deberá llevarse a cabo a través de grupos de in-terés especial, debiendo cumplir estas gasolinas con plomo, en todo caso, las especificaciones vigentes.

La presencia de aditivos metálicos queda limitada a 6 mg de manga-c) neso por litro a partir del 1 de enero de 2011 y a 2 mg de mangane-so por litro a partir del 1 de enero de 2014. En caso de que las gaso-linas incorporen estos aditivos deberán estar etiquetadas indicando «Contiene aditivos metálicos».

19.3.4.2. Condiciones para su uso en motores

La gasolina es una mezcla de varios hidrocarburos, líquida a tempera-tura y presión normales e idónea para accionar motores de combustión in-terna con ciclo de Otto. Por ser una mezcla de diversos productos, la gaso-lina no tiene un punto fijo de ebullición, sino una curva de destilación que comienza a 30 ºC y termina, generalmente, antes de los 200 ºC. Su peso es-pecífico varía entre 0,700 y 0,790 kg/dm3. La gasolina para automoción se presenta mezclada con colorantes orgánicos sintéticos y en general contie-ne aditivos de varias clases.

De los cuatro tipos de hidrocarburos (parafínicos, nafténicos, aromáti-cos y olefínicos), que se encuentran en el petróleo bruto, los más frecuentes son parafínicos de cadena lineal (n-parafinas) o ramificada (isoparafinas).

Las parafinas poseen una resistencia a la detonación inferior a la co-rrespondiente a las isoparafinas. La posibilidad de evitar que aparezca el denominado pique en los motores aumenta en general con el grado de ra-mificación. De cualquier forma, las mezclas de n-parafinas e isoparafinas, presentes en el petróleo bruto en estado de equilibrio, tienen una resisten-cia a la detonación inferior a la necesaria para un correcto funcionamiento de los motores.

Los hidrocarburos nafténicos (naftenos) o cieloparafínicos tienen un poder antidetonante más elevado que las parafinas con el mismo número

COMBUSTIBLES

483

de átomos de carbono. Su concentración varía mucho de un petróleo bruto a otro, y su importancia está ligada a la relativa facilidad con que es posi-ble transformarlos, por deshidrogenación, en hidrocarburos aromáticos.

Los hidrocarburos aromáticos se caracterizan por su elevado peso es-pecífico y por un poder antidetonante bastante elevado. Se encuentran en el petróleo bruto en cantidades limitadas, salvo algún tipo que los contiene en mayor proporción.

Los hidrocarburos olefínicos, caracterizados por poseer dobles o triples enlaces C=C, no se encuentran normalmente en el petróleo bruto, apare-ciendo en fracciones procedentes de craquing.

Queda claro que para obtener gasolinas con características antideto-nantes idóneas a las exigencias de los motores actuales, no basta con sepa-rar por destilación la fracción de petróleo comprendida entre 60 y 200 ºC, sino que hay que transformar los hidrocarburos contenidos en otros de mayor poder antidetonante. En consecuencia, excepción hecha de la deno-minada gasolina directa, la proporción de hidrocarburos que componen la gasolina puede depender más de los procesos de refino seguidos que de la composición inicial del crudo.

Con temperaturas exteriores altas (verano), al calentarse el motor, una parte de la gasolina puede vaporizarse en los conductos de alimentación, de forma que el vapor originado llegue a descebar la bomba de alimenta-ción o, al menos, a reducir su caudal por debajo del solicitado por el mo-tor. Este fenómeno, conocido con el nombre de tapón de vapor, provoca inconvenientes de funcionamiento pudiendo llegar incluso a parar el mo-tor y obligar a esperar que las condiciones de arranque vuelvan a ser las adecuadas.

La gasolina experimenta un primer cambio de estado en el carburador al producirse una transformación parcial del líquido en vapor por la depre-sión que reina en él. El proceso de vaporización continua en el cilindro por el aumento de temperatura producida al atravesar el colector de admisión y posteriormente en la fase de compresión.

Puesto que la combustión será tanto más completa y uniforme cuanto más homogénea sea la mezcla aire-gasolina en todos los puntos de la cá-mara de combustión y que dicha homogeneidad se favorece al vaporizar totalmente la gasolina, se deduce otra importante característica, conocida


484

como curva de destilación. La curva de destilación permite conocer la vo-latilidad de la gasolina y su comportamiento en el motor. Así, aparte de lo ya citado, una volatilidad demasiado elevada puede causar inconvenientes con temperaturas bajas por la posible formación de hielo en el carburador.

La aparición de gomas suele deberse a la presencia de olefinas por oxi-dación al contacto con aire, siendo esta reacción favorecida por trazas de cobre existente en la gasolina. Estas gomas, insolubles en la gasolina, pue-den adherirse fuertemente a las válvulas de admisión y a las paredes del colector del difusor, con lo que aumentarán las pérdidas de carga, obstrui-rán en parte el paso de la mezcla e impedirán incluso, en los casos más graves, la apertura de la mariposa. Este fenómeno se elimina, en el trata-miento previo de la gasolina adicionando productos antioxidantes e inacti-vadores de los metales.

El azufre libre o en forma de mercaptanos contenido en las gasolinas es preciso eliminarlo para evitar su acción corrosiva. La operación de elimi-nación de azufre se conoce como endulzamiento de las gasolinas.

19.3.4.3. Índice de octano

La gran demanda de gasolina para automoción determina su obten-ción, además de por fracción directa de la destilación del petróleo, por cra-queo de otras fracciones más pesadas.

Las gasolinas pueden combustionar de forma diferente en el motor de un vehículo, en función de su denominado Índice de Octano (IO).

El índice de octano es un número que indica la proporción de isoocta-no en una mezcla con n-heptano que se comporta frente a la detonación como la gasolina estudiada.

Distintos ensayos de laboratorio han permitido demostrar que los hi-drocarburos de cadena lineal poseen un índice de octano más bajo que los no saturados y los de cadena ramificada. Los aromáticos se comportan mejor frente a la detonación .

Para mejorar el rendimiento de una gasolina, debe elevarse su índice de octano, sometiéndola a un proceso de reformado para transformar las ca-denas lineales en ramificadas, en ciclos y en ciclos insaturados.

COMBUSTIBLES

485

Las naftas extraídas directamente de la destilación primaria contienen hidrocarburos lineales que tienden a detonar por presión. Por eso, en el re-formado, dichos hidrocarburos lineales se transforman en ramificados y cíclicos. Al ser más compactas no detonan por efecto de la presión.

Por deshidrogención los alcanos tanto de cadena abierta como cíclicos se convierten en aromáticos, del mismo número de átomos de carbono, principalmente benceno, tolueno y xilenos.

El proceso de alquilación tiene como objetivo producir una fracción cu-yas características tanto técnicas (IO elevado) como ambientales (bajas presión de vapor y reactividad fotoquímica) proporcionen a la gasolina ob-tenida mejor calidad.

Por último, se agregan aditivos, que hacen que la gasolina adquiera un índice de octano próximo a 100, e incluso superiores para el combustible empleado en los aviones.

Con estas consideraciones se adoptó el n-heptano como cero de una es-cala arbitraria y el isooctano como cien. Así una gasolina con IO=95 indica que se comporta frente a la detonación como una mezcla de 95% de isooc-tano y 5% de n-heptano.

19.3.5. Gasóleos

Gasóleo A Automoción• .

Gasóleo B Agrícola• .

Gasóleo C Calefacción• .

19.3.5.1. Gasóleos de automoción

El Real Decreto 1088/2010 fija las especificaciones técnicas de gasóleos. Pueden clasificarse como:

Gasóleos de automoción. Las especificaciones técnicas para los gasó-1. leos de automoción (clase A) destinados a ser utilizados en vehículos equipados con un motor diesel son las que se recogen en el anexo III del RD citado.


486

ANEXO IIIEspecificaciones del gasóleo de automoción (clase A)

COMBUSTIBLES

487

Gasóleos para usos agrícola y marítimo. Las especificaciones técni-2. cas para los gasóleos, uso agrícola y marítimo (clase B), son las que se relacionan en el anexo III bis del RD referido con la particulari-dad que se indica en el siguiente párrafo.

A partir del 1 de enero de 2011, el contenido máximo autorizado de azufre de estos gasóleos será de 10 mg/kg, pudiéndose producir entre-gas a usuarios finales con un contenido en azufre de hasta 20 mg/kg, como consecuencia de la contaminación en la cadena de suministro. Hasta el 31 de diciembre de 2011 se ha podido comercializar gasóleo para vehículos ferroviarios y tractores agrícolas y forestales, con un máximo de 1.000 mg/kg de azufre, siempre y cuando este límite no ponga en riesgo el funcionamiento adecuado de los sistemas de con-trol de emisiones.

Gasóleos de calefacción. Las especificaciones para los gasóleos de 3. calefacción (clase C) son las que se relacionan en el anexo III bis de este Real Decreto.

Hasta el 31 de diciembre del 2012, no serán de aplicación al gasóleo 4. para uso marítimo en las islas Canarias, los límites máximos de azu-fre establecidos, siempre y cuando no supere los 3.000 mg/kg.

El aditivo HQ300 confiere al gasoil propiedades de un gasóleo A mejo-rado, incrementando el número de cetano, protegiendo de la corrosión al sistema de alimentación, manteniendo limpios los inyectores y disminu-yendo la formación de espumas. El gasóleo A está destinado para uso ex-clusivo en vehículos de automoción.

Además de las condiciones ya citadas para las gasolinas de volatilidad adecuada y contenido en azufre menor de 10 mg/Kg, el gasóleo A debe tener un pequeño retraso de encendido, para asegurar una combustión óptima. La constitución química influye enormemente en el retraso de la inflamación en la cámara de combustión, habiéndose comprobado que los hidrocarbu-ros parafínicos la favorecen, mientras los aromáticos la complican.

En el anexo 3 anteriormente expuesto, se cita el índice de cetano que se corresponde con el comportamiento del gasoil en la combustión. De forma análoga a las gasolinas se estableció una escala arbitraria desde el índice cero, asignado al alfametilnaftaleno (Teb.= 246 ºC), hasta el cien, asignado al cetano (C16) y Teb=287 ºC. De esta forma el índice de cetano de un gasóleo


488

corresponde a la proporción de cetano en una mezcla con alfametilnaftaleno que, de cara a su autoinflamación, se comporta como el gasoil de referencia.

El índice de cetano se calcula téoricamente con la norma ASTM-D976, a partir de la densidad API y de la temperatura a la cual se recoge un 50% del destilado. Los números de cetano teórico y experimental suelen diferir lige-ramente.

Los gasóleos también se pueden clasificar por el índice diesel, fácil de calcular, que responde a la siguiente fórmula:

Índice diesel = Punto de anilina (°F) × Densidad ºAPI

Se define el punto de anilina como la temperatura mínima a la cual se observa un enturbiamiento en una mezcla de gasoil y anilina al 50%. Indi-ca el poder de disolución de las fracciones petrolíferas respecto a la anili-na. Cuanto más alta es esta temperatura, menor es el poder de disolución del producto ensayado.

El punto de anilina proporciona información sobre el poder de disolu-ción de los combustibles, naftas y aceites con respecto a las pinturas y pie-zas poliméricas como retenes, juntas, anillos y otros.

El punto de anilina también se emplea en la determinación del poder calo-rífico de las gasolinas de aviación o de los combustibles para turborreactores.

19.3.5.2. Gasóleos agrícola y marítimo

El gasóleo B está preparado para su uso en vehículos y maquinaria de uso agrícola o en embarcaciones. Este carburante está bonificado por el Estado y se distingue por su tonalidad roja. La formulación de este carbu-rante minimiza los costes de mantenimiento de la maquinaría, ya que pro-tege de la corrosión al sistema de alimentación e impide la formación de gomas y sólidos en el gasóleo, consiguiendo de este modo evitar la obstruc-ción de filtros e inyectores del motor.

19.3.5.3. Gasóleos de calderas (calefacción)

El gasóleo C se utiliza en las calderas de calefacción o equipos de pro-ducción de calor. Este combustible de color azul también está bonificado

COMBUSTIBLES

489

ANEXO III bisEspecificaciones de los gasóleos para uso agrícola y marítimo (clase B)

y de calefacción (clase C)


490

por el Estado. El alto contenido en parafinas disperso en este gasoil apro-vecha más el carburante extrayendo un mayor poder calorífico y teniendo un menor consumo. Puesto que los equipos que consumen este carburante son más robustos, hay que tener la precaución de realizar un correcto mantenimiento para evitar la aparición de parafinas sólidas.

19.3.6. Combustibles de aviación

Los combustibles de aviación, Jet-Fuel o Jet Propulsor son los nombres que reciben los diferentes combustibles para turborreactores. Son hidro-carburos del C12 al C16, que presentan temperaturas de ebullición, entre 150 y 300 ºC superior a las de las gasolinas e inferior a los gasóleos de automoción.

La mayor parte (75-95%) de los hidrocarburos de los JP son compuestos parafínicos y nafténicos, limitándose el contenido en aromáticos (<25%) por favorecer la dilatación del caucho y ocasionar problemas en el funcio-namiento de los motores.

Los combustibles de aviación se clasifican en:

Gasolinas de aviación (AVGAS), para motores de combustión interna • de cuatro tiempos.

Combustibles de turbinas de aviación (JET-FUELS), para utilización • en turbohélices y reactores.

Las propiedades más importantes de las gasolinas de aviación para mo-tores de combustión interna, como para las de automóviles, son las relati-vas al índice antidetonante y la volatilidad.

En los motores JET-FUELS no se considera primordial el factor antide-tonante.

Las gasolinas de aviación se clasifican en grados, de acuerdo con su ni-vel mínimo antidetonante. Si aparecen dos números, como 100/130, el pri-mero se refiere al poder antidetonante con mezcla pobre y el último al po-der antidetonante con mezcla rica.

JET A-1• . Se trata de un combustible destinado a las aeronaves pro-pulsadas por motores turboreactores o turbohélices. Se obtiene por

COMBUSTIBLES

491

destilación atmosférica con punto de inflamación mínimo de 38 ºC y punto de cristalización máximo de –50 ºC. Defence Standard 91 - 91 latest Issue.

AVGAS100LL.• Es una gasolina de alto octanaje que se utiliza en avionetas propulsadas por motores de explosión. Cumple la siguiente especificación: - Defence Standard 91 - 90 latest Issue.

F-76.• Es un combustible para uso militar, en buques con motores de turbina de última generación, que cumple con las siguiente especifi-caciones. - Defence Standard 91 - 4 latest Issue.

JP-8.• Es el carburante de las aeronaves militares propulsadas por motores turboreactores o turbohélices. Sus características son muy similares a las del Jet A-1, pero con aditivos anti-hielo, anti-corrosión y antioxidante. - MIL - DTL - 83133 E y Defence Standard 91 - 87 la-test Issue.

JP-5.• Se trata de un combustible destinado a las aeronaves militares, sobre todo de la Marina, propulsadas por motores turboreactores o turbohélices. Este turbocombustible, con punto de inflamación míni-mo de 60 ºC y punto de cristalización máximo de –46 ºC, lleva aditi-vos anti-hielo, anti-corrosión y antioxidante. - MIL - DTL - 5624 U y Defence Standard 91 - 86 latest Issue.

19.3.7. Fueles

Los fueles son productos diversos obtenidos en distintas operaciones de refinería, que no han encontrado una aplicación concreta, por lo que se queman en los hornos y calderas de la propia instalación o bien se venden como tales para combustión industrial. También se emplean en motores de barco.

En general las características exigibles para su empleo son, fundamental-mente, su poder calorífico y las cenizas originadas, su densidad y viscosidad para valorar los costes de su manipulación y su estabilidad en el tiempo.

Los fueles mantienen los hidrocarburos iniciales del crudo y que no se han retirado en otras fracciones. Los asfaltos, compuestos metálicos, hi-drocarburos pesados y compuestos nitrogenados, sulfurados y oxigenados


492

se hallan en proporción considerable. Al corresponderse con fracciones pe-sadas proporcionan un mayor porcentaje de cenizas. Su uso en instalacio-nes de calefacción urbana fue prohibido por la legislación ambiental debi-do a su alto contenido en azufre.

El aspecto físico del fuelóleo es pastoso y semifluido de color de ma-rrón a negro. Su punto de ebullición varía entre 175 y 600 °C, la longitud de las cadenas van del C20 al C70 y su viscosidad, elevada en general, au-menta con el número de carbonos, por lo que los más pesados deben ca-lentarse para su manipulación. El precio generalmente decrece a medida que el número aumenta.

En muchas ocasiones se comercializa como emulsiones en las que el agua puede quedar ocluida en su seno formando bolsas, con lo que se difi-culta su combustión y manipulación, siendo preciso calentarlo.

Para la clasificación de los fuelóleos lo hacemos por la viscosidad que presentan a una cierta temperatura. También se clasifican a veces en hasta seis tipos de fueles, diferenciados por su numeración, desde el n.º 1, simi-lar al queroseno, hasta el n.º 6 o fuel pesado.

19.4. GAS NATURAL

19.4.1. Caracterización

Por gas natural entendemos una mezcla de gases, principalmente meta-no (95%), al que acompañan etano, propano, butano, nitrógeno, dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno, helio y argón, que precisa ser depurada.

Otras de sus características se indican al hablar de petroquímica.

En su uso como combustible lo principal es su poder calorífico que al-canza valores de 9.000 a 11.000 Kcal/m3. Además debe tenerse en cuenta el poder comburívoro, que indica la cantidad de aire que se requiere en la combustión del gas. En comparación, el propano y el butano necesitan mayor cantidad de aire que el gas natural. Esta información es necesaria para calcular el aire necesario en las salas de calderas y la superficie de ventilación requerida.

Los mayores productores de gas natural son EE.UU. y países de la Anti-gua Unión Soviética. El 40% del gas natural que se consume en Europa oc-

COMBUSTIBLES

493

cidental es importado, y se prevé que la proporción ascienda al 75% en 2030. Casi la mitad del gas importado procede de Rusia, quien negocia con su precio y suministro de forma dura, propiciando en los últimos años des-de cortes de suministro, a Ucrania y otros países europeos en 2005 y 2009, a duplicar el precio del gas suministrado a Bielorrusia, Georgia, Lituania y Ucrania entre 2007 y 2009.

Ante esta situación de inestabilidad la industria realiza grandes esfuerzos para diversificar los suministros y para desarrollar la tecnología que permita la licuefacción y carga de buques gaseros en localizaciones offshore, donde se han descubierto grandes reservas en Nigeria, Brasil y Australia. En los últimos años se ha producido la puesta en funcionamiento de las unida-des de regasificación offshore flotantes y de gravedad, derribando las ba-rreras tecnológicas que impedían la puesta en funcionamiento de unida-des de relicuefación offshore desde el punto de vista de sistemas de contención de la carga, transferencia de fluido criogénico y riesgos aso-ciados a la operación.

19.4.2. Transporte y almacenamiento

El GNL se puede transportar en forma gaseosa o en forma líquida, en instalaciones terrestres como gaseoductos se realiza en forma gaseosa, en transportes como el marítimo se licua para reducir el volumen, y au-mentar su densidad, este es un paso muy importante debido a la diferencia de volumen entre la fase gas-liquido, que tiene una relación de 580 a 1.

Para licuar el gas natural se enfría hasta aproximadamente –161 °C, que es la temperatura de licuación del metano o se aumenta la presión. Esta transformación requiere importantes cantidades de energía.

En transporte en cisternas o barcos lo normal es que se mantenga a su temperatura de saturación (–161 °C) a lo largo de toda la ruta, pero se per-mite que una pequeña cantidad de vapor se disipe por ebullición, en un proceso que se denomina «autorrefrigeración». El gas evaporado puede utilizarse para impulsar los motores de los buques.

El almacenamiento también se realiza en estado líquido en instalacio-nes muy controladas, el almacenamiento no requiere de grandes aporta-ciones de energía, ya que se extrae el gas evaporado de los tanques, permi-


494

tiendo la evaporación controlada y por tanto se auto refrigera el gas licuado del tanque.

Para regasificar, es decir para pasar de líquido a gas, hay que aportarle el calor latente para cambiarlo de fase, para eso se calienta con varios sis-temas:

Uno mediante intercambiadores de calor con agua de mar, también • conocidos como cascadas de agua.

Otro con el calor aportado por la combustión de una pequeña parte • del propio gas natural calentando agua y a su vez el resto del gas. Este método es conocido como vaporizador por combustión sumergida.

El coste del m3 de gas natural incrementa su valor a medida que sufre transformaciones desde que sale del yacimiento hasta su distribución y consumo.

Como ejemplo de costes podemos indicar que considerando un volumen de 450 MMscfd (Million standard cubic feet per day) de LNG, los costes ori-ginados en su licuefacción en una terminal de carga pueden ascender a 1000 millones de dólares, mientras que el transporte marítimo asciende a 950 millones y la gasificación en la terminal de descarga 400 millones.

19.4.3. Consideraciones sobre su combustión

El conocimiento de las tendencias y el comportamiento del fenómeno de combustión han permitido establecer consideraciones energéticas y am-bientales acerca del proceso de combustión.

Se ha determinado la influencia negativa del exceso de aire en la máxi-ma temperatura de los productos y el efecto positivo que tiene el precalen-tamiento de aire en dicha temperatura.

Una mayor temperatura de los productos, a la salida del quemador, es indicativo de una mayor eficiencia del equipo.

Las predicciones teóricas de la combustión del metano, permiten la posterior comprobación en la experimentación con el objetivo de desarro-llar estrategias en los quemadores industriales que maximicen el uso de energía y minimicen la generación de contaminantes.

COMBUSTIBLES

495

19.4.4. Seguridad en instalaciones

A pesar de las importantes dedicaciones a la seguridad en este tipo de instalaciones, y sus eficientes métodos de protección, sistemas redundan-tes, mantenimiento estricto, y continuos chequeos, existe una gran oposi-ción por parte de la opinión pública frente a la implantación de terminales de regasificación cerca de ciudades. De hecho, desde el desastre de 1944 en Cleveland (Estados Unidos), donde la ruptura de dos tanques de LNG y escape de líquido criogénico provocó la destrucción de 680 hogares con 128 muertos y 225 heridos, la industria del LNG se paralizó 20 años en ese país. La mayor de las amenazas de las terminales sobre poblaciones cerca-nas es el riesgo de incendio y formación de nubes de gas que se desplacen hacia núcleos de población cercanos. Además, no existe información fiable acerca de las consecuencias de derrame de grandes cantidades de LNG so-bre agua de mar. Las opiniones de distintos expertos cifran el espacio de avance de la nube antes de arder entre 2 y 200 km.

Procedencia del estudio Distancia recorrida

Estudio para offshore en zona de Baja California 48 km

MIT.Prof Fay 200 km

US Bureau of Mines 120 km

US Coast Guard 41 km

Energy Investor 2 km

La sociedad de clasificación DNV ha puesto en marcha un proyecto para investigar este tipo de circunstancias. Otras sociedades de clasifica-ción tales como «ABS» y «Lloyd’s Register» están también involucradas en estudios similares.

Lo que es menos conocido es el efecto de la transferencia de calor que ocurre cuando se derrama LNG en agua. El cambio brusco de temperatu-ra, entre 160 ºC y 190 ºC, da lugar a una transición rápida de fase, cuyos efectos pueden ser todavía peores si se produce una dilución de agua. Du-rante un tiempo, el gas natural permanecerá en estado líquido, y se evapo-rará posteriormente.


496

Tras el derrame de LNG, se forma una nube de gas que se desplaza ho-rizontalmente desde el punto del derrame bajo la influencia de los vientos dominantes. La nube, contiene los componentes gaseosos del LNG, vapor de agua condensado (lo cual le da un aspecto blanco a la nube) y aire. La mezcla de aire con la nube, da lugar a condiciones donde es posible la in-flamación en la mayor parte de su volumen, en función de sus límites de explosividad.

Para proyectar, construir, ampliar, reformar o revisar cualquier instala-ción de gas mediana o pequeña se establecen unas medidas de seguridad mínimas garantizando de esta manera un buen servicio. Entre otras medi-das, cabe mencionar las siguientes:

El diseño y dimensiones serán tales que garanticen el adecuado flujo • de gas.

Todos los materiales y accesorios utilizados, deberán cumplir con las • normas UNE vigentes.

Las instalaciones tienen que ir acompañadas de rejillas o salidas de • ventilación para que, en el caso de una mala combustión, el gas no se concentre en la vivienda o local.

El Real Decreto 1853/1993, de 22 de octubre, por el que se aprueba el Reglamento de instalaciones de gas en locales destinados a usos domésti-cos, colectivos o comerciales y sus modificaciones posteriores fue la refe-rencia en temas de seguridad hasta marzo de 2007 en que es derogado por el Real Decreto 919/2006, por el que se aprueba el Reglamento técnico de distribución y utilización de combustibles gaseosos y sus instrucciones téc-nicas complementarias ICG 01 a 11.

COMBUSTIBLES

497


1. Comentar razonadamente las diferencias entre poder calorífico y po-der comburívoro.

2. Definir punto de anilina e indicar su empleo en la caracterización de gasóleos.

3. Discutir la información que puede proporcionar la curva de destila-ción de una gasolina.

4. Definir el fuel y razonar sus limitaciones de aplicación como combus-tible doméstico.

5. Describa el proceso de pirogenación del carbón e indique los produc-tos obtenidos.

6. Señalar tres condiciones para mejorar el índice de octano de las gaso-linas.

7. Comentar la importancia y uso del índice de cetano, definiéndolo e in-dicando su forma de cálculo.

8. Justificar la necesidad de operar en condiciones definidas para mani-pular una instalación de gas natural.

9. Cite dos pruebas sencillas para diferenciar un gas natural del butano comercial.

10. Proponga un ensayo para determinar el poder calorífico de un com-bustible líquido.

Tema 20

Petroquímica

20.1. Introducción: Materias primas

20.1.1. Petróleo20.1.2. Gas natural20.1.3. Pizarras bituminosas

20.2. Industria petroquímica básica

20.3. Fraccionamiento y refino

20.4. Unidades de conversión

20.5. Productos finales

20.5.1. Carburantes y combustibles 20.5.2. Aceites lubricantes20.5.3. Asfaltos

20.6. Procesos de transformación

20.6.1. Olefinas y acetileno20.6.2. Descomposición de hidrocarburos


501

OBJETIVOS

El objetivo general de este tema es conocer los principales productos químicos orgánicos, sus fuentes y sus usos más comunes. En concreto:

Conocer las materias primas de partida en la industria petroquímica.•

Conocer la composición del petróleo y las formas empleadas en su caracte-• rización.

Ser capaz de establecer condiciones para la manipulación de sus fracciones.•

Conocer las características del gas natural y sus posibilidades de aplicación.•

Conocer las posibilidades y limitaciones de uso de las pizarras bituminosas.•

Discernir entre las ventajas e inconvenientes en la aplicación de las diferen-• tes técnicas de transformación de hidrocarburos.

Conocer las posibles unidades y operaciones de conversión de hidrocarburos.•

Conocer los posibles productos finales obtenidos a partir de los hidrocarburos.•

Conocer los procesos de obtención de olefinas y sus usos posteriores.•

Valorar los riesgos derivados de la manipulación de los productos orgánicos.•

Conocer los procesos de transformación de hidrocarburos.•

Plantear diagramas de bloques para la obtención de hidrocarburos y deri-• vados.


502

RESUMEN

Se estudian las principales materias primas petroquímicas, petróleo, gas y pizarras bituminosas, para a continuación fijar las técnicas a em-plear para obtener los principales productos petroquímicos, como olefinas, acetileno, gas de síntesis y metanol.

Se describen las operaciones de fraccionamiento, craqueo, reformado y purificación como técnicas básicas en la obtención de carburantes y com-bustibles, a la vez que se indican algunas especificaciones de uso de estos productos.

La relación de productos obtenidos a partir de hidrocarburos, cualquie-ra que sea su origen, se plantea en los apartados finales, indicándose sus formas de obtención y sus aplicaciones más comunes.

20.1. INTRODUCCIÓN: MATERIAS PRIMAS

Se define la petroquímica o petroleoquímica como la ciencia y la técnica correspondiente a la industria que utiliza principalmente el petróleo o el gas natural como materias primas para la obtención de productos químicos.

La industria petroquímica creció espectacularmente en la segunda mi-tad del siglo pasado, al fijar los productos derivados del petróleo como fuente de multitud de productos químicos orgánicos, más de tres mil. El descubrimiento de nuevos yacimientos de petróleo y gas natural, diversifi-cando la oferta, junto a su disponibilidad y sus relativos bajos precios se consideran como los principales factores que han potenciado el gran de-sarrollo económico y de bienestar conseguido, aun con lastimosa distribu-ción mundial, por la humanidad en los últimos setenta años.

Como materias primas de partida se estudian el petróleo, el gas natural y las pizarras bituminosas.

20.1.1. Petróleo

El petróleo es una mezcla compleja de hidrocarburos de las series para-fínica, nafténica y aromática, con un número variable de carbonos desde uno a cuarenta o superiores, a los que acompañan también compuestos de

PETROQUÍMICA

503

azufre (sulfuros, mercaptanos…), nitrógeno (bases orgánicas), oxígeno (fe-noles, ácidos alifáticos…) y pequeñas y variables cantidades de metales (vanadio y niquel principalmente).

Su composición en base a sus principales elementos suele darse como 85% de carbono, 12% de hidrógeno y 3% de otros, entre los que destaca principalmente el azufre.

El origen del petróleo, como el de otros combustibles fósiles, es debido a un conjunto de procesos biológicos, descomposición anaeróbica de ma-teria orgánica, y geológicos que han operado durante millones de años.

En la identificación de las distintas fracciones que componen el crudo petrolífero se han empleado todas las técnicas del análisis químico clásico e instrumental, pero solo ha sido posible identificar algunas de las especies de menos de ocho átomos de carbono. Normalmente se habla más de frac-ciones que de especies. Por fracción del petróleo se entiende una parte del mismo que ha podido separarse del resto en función de su temperatura de ebullición, sin alterar su composición. En general al aumentar el punto de ebullición de la fracción considerada aumenta el contenido en com-puestos distintos a los hidrocarburos.

La base del petróleo se determina en función del tipo de hidrocarburos predominantes. Normalmente las bases son mixtas pues contienen parafi-nas, naftenos y aromáticos, aunque suele dar nombre la mayoritaria en el crudo. Así una fracción que destilase entre 50 y 200 ºC, de densidad media 38 ºAPI, 62% de parafinas, 28% de naftenos y 10 % de aromáticos, diría-mos que es de base parafínica.

La caracterización del petróleo se realiza en función de la densidad y de la temperatura media de ebullición, mediante expresiones como el «fac-tor de caracterización».

La densidad es el parámetro que permite hacerse más rápidamente una idea del rendimiento en fracciones ligeras que puede dar un crudo. Su forma de expresión más extendida es la densidad en ºAPI (Americam Petroleum Institute):

ºAPI = 141,5/d – 131,5

(siendo d la densidad relativa 60/60 (de la fracción frente al agua, ambos a 60 ºF).


504

En todos los crudos petrolíferos, tras someterlos a los ensayos de desti-lación, se encuentran una serie compleja de productos que suelen denomi-narse como residuos del fraccionamiento. Cuando es necesario precisar algo más sobre su composición suelen sometérseles a ensayos de solubili-dad en heptano (maltenos) y en tetracloruro de carbono (asfaltenos).

Para el buen funcionamiento de distintos procesos de refinería, intere-sa también conocer las cenizas y el residuo carbonoso correspondiente al petróleo o a algunas de sus fracciones (tendencia a su coquización). Los métodos de ensayo para estas determinaciones son, principalmente, los re-siduos de carbón Ramsbottom y Conradson.

20.1.2. Gas natural

El gas natural es un hidrocarburo gaseoso, realmente una mezcla de gases, formado principalmente por metano y una proporción variable de ni-trógeno, dióxido de carbono, etano, propano, butano, mercaptanos y tra-zas de hidrocarburos más pesados. Estos componentes varían en función de los yacimientos en los que se encuentre.

Una composición media para el gas de Argelia puede ser:

Tabla 20.1. Composición de GN (en % v/v)

Metano Etano Propano Butano > C5 N2 CO2 H2S

89 7 2 1 0,4 0,3 0,2 < 0,1

El yacimiento suele encontrase en bolsas u oquedades estancas con tie-rras porosas impregnadas de gas. En estas bolsas puede aparecer el gas solo o fundamentalmente acompañado de petróleo o de otros hidrocarbu-ros más concretos condensados. Estos yacimientos son, por tanto, una acumulación de hidrocarburos, que pueden encontrarse saturando los po-ros o las fisuras de las rocas en las que se encuentran.

Su origen, como el del petróleo, es la deposición, hace millones de años, de materia orgánica junto a partículas arenosas y arcillosas y restos de organismos vegetales, entre los sedimentos del fondo de estuarios y pantanos, en medio anaerobio y en condiciones de presión y temperatura

PETROQUÍMICA

505

elevadas. Se considera que corresponde a un estado más avanzado en la descomposición de la materia orgánica de lo que es el petróleo.

El proceso de extracción del gas natural es muy parecido al del petró-leo, perforación de pozos, y su transporte puede realizarse mediante bar-cos (metaneros) o gasoductos hasta los centros de almacenamiento, distri-bución y consumo.

Para su distribución y consumo el gas natural debe depurarse de cuan-tos compuestos puedan originar problemas en las tuberías o en la estabili-dad de la llama, tales como productos azufrados o vapor de agua que pu-dieran acompañarle.

El gas natural es una de las fuentes de energía más limpias, económica, eficaz y de mayor poder calorífico (8000-10.000 Kcal/m3) y respetuosas con el medio ambiente, pues en proporción origina menos dióxido de carbono en su combustión y, en consecuencia, participa menos en el deterioro del medio por efecto invernadero. En España, su participación en el conjunto energético, supone más del 25 % en la producción de energía primaria.

En resumen, el gas natural se considera hoy como un combustible ca-paz de satisfacer la demanda energética en los sectores domésticos, comer-cial e industrial y como una fuente fiable de productos base para la indus-tria petroquímica.

20.1.3. Pizarras bituminosas

Las pizarras bituminosas son rocas homogéneas, de grano fino, común-mente de color negro azulado, opacas y tenaces que se separan con facili-dad en hojas delgadas y planas. En ellas pueden distinguirse dos partes bien diferenciadas. Una parte inorgánica (60-80 % p/p) compuesta principalmen-te por arcillas, calizas, feldespatos y piritas y otra orgánica (10-30 % p/p) formada por largas cadenas de hidrocarburos (80-85 % C y 12-15 % H) junto a compuestos de oxígeno, nitrógeno y azufre.

La fracción orgánica es poco soluble en disolventes orgánicos y en ella se distinguen dos componentes: kerógeno y bitumen. El kerógeno (del grie-go «productor de cera») es un sólido polimérico de elevado peso molecular y constituye el residuo insoluble en disolventes orgánicos, mientras que el bitumen corresponde a la fracción soluble.


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El bitumen es el constituyente principal de la fracción orgánica de las pizarras, a las que da nombre, y está formado por sustancias de bajo peso molecular fácilmente volatilizables. Este bitumen es la parte aprovechable de las pizarras, como materia prima para refinerías y varia en un amplio margen entre 40 y 400 Kg/tonelada de pizarra.

El origen de las pizarras bituminosas es similar al del petróleo y gas na-tural, descomposición de organismos acuáticos y materia vegetal sepulta-dos junto a arcillas y calizas. Su composición es variable en función de su origen y la geología del lugar.

La fracción orgánica se aprovecha al descomponer térmicamente las pizarras a temperaturas superiores a 400 ºC. La operación de extracción del bitumen suele ser la pirolisis, en la que se obtienen rendimientos del 60-70 %.

La pirolisis se lleva a cabo en hornos de retorta de considerables di-mensiones situadas en las inmediaciones de los yacimientos o incluso en ocasiones en el yacimiento en sí. Se obtienen dos grupos de productos, un conjunto de gases de bajo peso molecular y un residuo de coque. Los ga-ses se condensan originando el denominado aceite de pizarras que consti-tuye la alimentación a la refinería. Este aceite presenta densidades del or-den de 0,9 Kg/l, viscosidad similar a la del petróleo y alto contenido en olefinas (20-40%) y en aromáticos (>20%). Su residuo carbonoso y las ce-nizas que generan suelen ser superiores a las correspondientes a crudos petrolíferos.

En España el principal aprovechamiento de pizarras bituminosas se realizó en Puertollano (C. Real) en los años 1945-1965 cuando la escasez de otras fuentes energéticas obligó a utilizar este tipo de combustible po-tencial. Frente al petróleo y al gas natural presentan bastantes desventajas como su menor poder calorífico, su mayor producción de residuos y su mayor carga contaminante, lo que hace que no pueda competir en rendi-miento este tipo de explotaciones.

La investigación de mejores técnicas de explotación de la pizarras es un objetivo marcado por distintas instituciones y empresas de forma que pue-dan considerase como una alternativa plausible frente a los combustibles fósiles tradicionales y en consecuencia ofrecer una mayor diversificación de materias primas para las refinerías.

PETROQUÍMICA

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20.2. INDUSTRIA PETROQUÍMICA BÁSICA

La industria petroquímica emplea como materias primas hidrocarbu-ros procedentes de tratamientos sobre petróleo, gas natural y pizarras bi-tuminosas como se ha comentado en el apartado anterior. En principio, mediante las operaciones petroquímicas adecuadas, puede obtenerse un mismo producto final a partir de materias primas diferentes. El empleo de una u otra materia prima y una u otra técnica dependerá de su disponibili-dad y precio por una parte y de la tecnología que pueda aplicarse por co-nocimiento, eficiencia y responsabilidad ambiental.

Los productos obtenidos directamente del tratamiento del petróleo o del gas natural tienen una gran demanda como combustibles principal-mente y en consecuencia no se emplean como materias primas para la in-dustria petroquímica. Suelen ser las fracciones medias y pesadas las que se tratan para su empleo como fuentes de productos orgánicos. Los pasos a seguir para pasar de las materias primas citadas a los productos básicos de la industria petroquímica son en primer lugar la transformación de los hi-drocarburos, alterando su estructura para aumentar su reactividad, de-biendo pasar por tanto de hidrocarburos saturados a insaturados y aromá-ticos. Esta transformación consiste generalmente en el craqueo de la fracción correspondiente, normalmente naftas, gasóleos no válidos direc-tamente como combustibles de automoción o calefacción y fueles.

En segundo lugar pueden descomponerse los hidrocarburos en sus com-ponentes, carbono (negro de humo) e hidrógeno, produciendo además mo-nóxido de carbono entre otros productos. En tercer lugar es preciso aplicar técnicas de separación y purificación de las distintas fracciones o productos obtenidos en los operaciones de transformación y descomposición.

20.3. FRACCIONAMIENTO Y REFINO

La planificación de la producción y formas de operación de una refine-ría es un tema complejo por la multitud de variables que intervienen en las decisiones a adoptar. Factores como procedencia del crudo a tratar, homo-geneidad en sus características, unidades disponibles y efectividad de las mismas, capacidad de operación, demanda previsible de productos, etc. marcan los objetivos directos de la planta de tratamiento.


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Los objetivos generales que se establecen al llegar el crudo petrolífero a la refinería son separar del crudo, sin alterar su composición, las diferen-tes fracciones que son solicitadas por el mercado, convertir fracciones poco demandadas en otras de mayor demanda, modificar la estructura de ciertas fracciones para adaptarse a lo exigido para su aplicación y por últi-mo purificar cada producto obtenido.

Estos objetivos se plasman en las cuatro operaciones base de refinería que son fraccionamiento del crudo, craqueo de fracciones medias y pesa-das, reformado de gasolinas y gasóleos entre otros y depuración o refino fi-nal. El conjunto de operaciones citado se conoce como refino del petróleo y a la instalación industrial donde se lleva a cabo refinería.

FraccionamientoP=1 ata

Productospesados

Operacionesde refino

Craquingcatalítico

Hidrocraquing

FraccionamientoP<1 ata

Almacéncrudo

Gas (GLP)GasolinasGasóleos

Figura 20.1. Esquema de fraccionamiento.

En el esquema de bloques de la figura 20.1 se indica el proceso de tra-bajo para la obtención de combustibles, centrado en la operación de frac-cionamiento del petróleo en sus dos operaciones básicas como son la des-tilación atmosférica (topping) y la destilación a vacio.

En la primera unidad se trabaja además de a presión atmosférica a temperaturas inferiores a los 350 ºC, que es la temperatura a partir de la cual se rompen las cadenas hidrocarbonadas y, en consecuencia, se altera la composición inicial del crudo. Con la segunda unidad de fraccionamien-to se trabaja a vacio o con arrastre con vapor para continuar con la separa-ción de fracciones pero evitando la alteración ya citada.

PETROQUÍMICA

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Los gases de refinería o gases licuados de petróleo (GLP) suelen conte-ner de uno a cuatro átomos de carbono y temperaturas de ebullición infe-riores a 25 ºC. La gasolina obtenida en esta unidad suele tener de cinco a nueve átomos de carbono y un rango de ebullición entre 50 y 150 ºC. La gasolina constituye el principal producto de esta unidad y su aumento y calidad uno de los principales fines de la refinería

De la primera unidad referida salen también queroseno (Teb = 150-250 ºC) y gasoil (Teb = 250-350 ºC).

En la unidad de vacio se obtienen gasóleo pesado, aceites lubricantes, fueles y un residuo final de tipo asfáltico.

En cada fracción obtenida se encuentra una proporción variable de compuestos azufrados, que deben ser eliminados cuanto antes para evitar sus efectos corrosivos. El H2S sale en cabeza del topping y deberá retirarse de ella por absorción con agua, en general en los propios condensadores de cabeza.

20.4. UNIDADES DE CONVERSIÓN

Puesto que el mercado demanda mayor cantidad de gasolina y produc-tos ligeros de lo que se obtiene en el fraccionamiento del crudo, resulta in-dispensable aumentar esta cantidad mediante operaciones de conversión de otras fracciones medias y pesadas que superan las cantidades demandadas para ellas.

La operación principal de conversión es el craqueo, bien sea térmico o ca-talítico. Esta conversión tiene como objetivo la obtención de cadenas hidro-carbonadas más cortas (menor peso molecular) lo que supone un cambio im-portante en las características y propiedades de las fracciones obtenidas.

La segunda operación de conversión persigue reformar la estructura molecular sin variar la longitud de la cadena y la tercera pretende aumen-tar esta longitud mediante reacciones de síntesis, isomerización y alquila-ción principalmente.

Adicionalmente a los procesos de craqueo y reformado se emplean tra-tamientos con hidrógeno, de disminución de la viscosidad (visbreaking) y de coquización.


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En el craqueo térmico se trabaja con temperaturas superiores a los 400 ºC y presiones de 10-20 atm., con lo que se rompen las cadenas produciendo hi-drocarburos saturados (parafinas) de menor peso molecular, olefínicos, cícli-cos (nafténicos) y aromáticos. La alimentación al horno de craquing o retorta tubular la constituye un aceite pesado que sale del horno a temperatura del orden de 450 ºC y tras pasar por una cámara de reacción, para dar tiempo a la ruptura de las cadenas largas, se expande para favorecer la condensación de productos pesados y se lleva a una columna de separación.

La aparición de catalizadores (1950) relegó el craquing térmico debido a su bajo rendimiento y problemas originados en su operación (tapona-mientos por coque, …).

El craquing catalítico permitió rebajar la temperatura y presión de tra-bajo y mejorar los rendimientos en fracciones ligeras, principalmente ga-solinas. La diferencia entre ambos tratamientos es que mientras en el cra-quing térmico se inician las reacciones por mecanismos de radicales libres en el catalítico se inician por mecanismos de carbocationes. Los cataliza-dores más habituales son en base a zeolitas con sustancias activas del tipo de óxidos metálicos.

El proceso operativo en el craquing catalítico es similar al térmico solo que es preciso establecer un buen contacto entre el catalizador y la carga a craquear. La forma de contacto citada clasifica los tipos de craquing en le-cho fluido, hoy la más habitual, y en lecho fijo.

Los productos obtenidos presentan estructuras más ramificadas para los hidrocarburos saturados y mayor contenido en hidrocarburos aromáti-cos, lo que mejora la calidad antidetonante de las gasolinas así obtenidas.

En la figura 20.2 se representa un esquema elemental del diagrama de bloques de un craquing catalítico de lecho fluidizado, al mantenerse en suspensión el catalizador (partículas < 50 μm) impulsado por la corriente de aire A que se inyecta en el horno y en el regenerador. Se emplean ciclo-nes F para recuperar el catalizador que pudiera arrastrarse fuera de los hornos y por último una columna de fraccionamiento para separar en fun-ción de sus temperaturas medias de ebullición gases (B), gasolina (C), acei-te ligero (D) y un aceite pesado o carga no craqueada que se devuelve al horno. El proceso se resume en tres etapas conversión o craquing, fraccio-namiento y estabilización de los productos finales.

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Regenerador

Catalizador

Carga a craquear

Horno

Columnade

separación

B

C

D

A

F

F

Figura 20.2. Diagrama de bloques para craquing catalítico.

Con el craquing catalítico en lecho fluido (FCC) se consigue, además de su principal objetivo de aumentar la proporción en fracciones ligeras como la gasolina, mejorar también la calidad de estas. Pero cuando se pretende es-pecíficamente mejorar la calidad de las gasolinas la operación a realizar se conoce como reformado. El reformado implica una alteración en la estruc-tura de la carga a reformar, para lo que resulta indispensable el empleo de catalizadores, siendo bastante generalizados los de platino sobre alúmina.

La mejora de calidad de las fracciones a tratar se consigue por elimina-ción de los hidrocarburos insaturados, altamente reactivos, y de los meta-les y compuestos azufrados y nitrogenados. En ambos casos el tratamiento habitual es el hidrotratamiento. Al tratar con hidrógeno los dobles enlaces se saturan estabilizando la fracción y se rompen los enlaces S-C y N-C exis-tentes en algunos productos, liberándose H2S H3N y eliminándose otros como aminas y mercaptanos.

CH3-CH2-CH=CH-CH2-CH3 + H2 → C6H14

R-SH + H2 → R-H + H2S

Cuando el objetivo de mejora pasa por modificar la estructura de las fracciones a tratar las reacciones más habituales son las que facilitan la aparición de parafinas ramificadas, isomerización, de ciclos (deshidroci-clación) y de compuestos aromáticos (deshidroisomerización).

CH3-(CH2)5-CH3 → CH3


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20.5. PRODUCTOS FINALES

Como productos principales de refinería pueden citarse los carburantes y combustibles, los aceites lubricantes y los asfaltos.

20.5.1. Carburantes y combustibles

Como combustibles gaseosos se emplean los gases licuados del petróleo (GLP), que se comercializan como propano comercial y butano comercial. Las especificaciones de cada uno de ellos vienen fijados por una Orden Mi-nisterial para garantizar su empleo seguro y eficaz.

Los gases saturados se emplean fundamentalmente como combustibles por su elevado poder calorífico, 22.890 Kcal/Nm3 para el propano y 29.840 Kcal/Nm3 para el butano.

Para su empleo es necesario indicar algunas especificaciones, como las que aparecen en la ficha de seguridad del propano comercial:

Mezcla compleja de hidrocarburos que consiste fundamentalmente • en propanos y propenos con algunas cantidades de C4 e hidrocarbu-ros de mayor peso molecular.

Pueden estar presentes bajas concentraciones de azufre, sulfuro de • hidrógeno y mercaptanos.

Puede también contener uno o más de los siguientes aditivos: odo-• rantes (normalmente etil-mercaptano), agentes antihielo.

Seguridad: Gas licuado extremadamente inflamable. El vapor, más • pesado que el aire, se propaga por el suelo, siendo posible su ignición en lugar alejado del punto de emisión.

Riesgos para la salud: La exposición prolongada a los vapores en con-• centraciones por encima del límite de exposición laboral establecido puede causar dolores de cabeza, vértigos, debilidad, náuseas, confu-sión, visión borrosa, asfixia, irregularidades cardíacas, inconsciencia e incluso la muerte.

Debido a su bajo punto de ebullición, puede causar quemaduras por • congelación.

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Este producto contiene 1,3-butadieno. Esta substancia debe conside-• rarse como carcinógeno.

Almacenamiento: Exclusivamente en depósitos o bombonas diseña-• dos para presión. Almacenar en el exterior o en almacenes adecuada-mente ventilados.

Situar los tanques lejos de calor y de otras fuentes de ignición.•

No almacenar al lado de bombonas que contengan oxigeno a presión.•

Proveer de las adecuadas medidas contra incendios a todas las zonas • de almacenaje.

Manténgase fuera del alcance de los niños.•

Otros combustibles de calefacción doméstica e industrial son el gasóleo C y los fueles. En ellos es muy importante fijar su viscosidad cinemática, para asegurar su trasiego fácil, su adecuada atomización que facilita su mejor combustión y su contenido en azufre, marcado por normas naciona-les y municipales.

El gasóleo de calefacción o gasóleo C es una mezcla de hidrocarburos del C9 al C20 que presenta un intervalo de ebullición entre 165 y 350 ºC. Se le adiciona un colorante para evitar su uso fraudulento. Su poder calorífi-co es 10.000 Kcal/Kg, sus límites de explosividad son LII=1,3% y LSE=6%. Su densidad es 0,9Kg/l, su viscosidad 7 cSt (a 40 ºC), su punto de inflama-ción 60 ºC y su contenido máximo en azufre 0,2 %.

Los fueles son los combustibles más pesados y precisan calentarlos para facilitar su manipulación y bombeo. No se permite su uso para cale-facción doméstica por su elevado contenido en azufre (> 2,5%).

Como combustibles de automoción se emplean la gasolina y el gasóleo.

20.5.2. Aceites lubricantes

Las fracciones más pesadas del petróleo se caracterizan por su facilidad de formación de una película continua y con afinidad por las superficies metálicas, en concreto, lo que se conoce como untuosidad. Los productos con untuosidad elevada se conocen como lubricantes y son imprescindi-bles en el trabajo de maquinas y motores que supongan un desplazamiento entre dos superficies.


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Aunque se emplean aceites como transmisores de calor, agentes dieléc-tricos, etc., su uso principal es en lubricación y su característica más im-portante su viscosidad. Su clasificación se basa precisamente en esta pro-piedad seguida por distintas asociaciones internacionales como la SAE (Society of Automotive Engineers).

La clasificación S.A.E., de lubricantes de cárter, está basada en la visco-sidad del aceite a dos temperaturas, en grados Farenheit, 0 ºF y 210 ºF, (–18 ºC y 99 ºC) estableciendo ocho grados S.A.E. para los monogrados y seis para los multigrados.

Cuanto más bajo sea el grado de viscosidad para invierno (W) (0W-25W) el aceite es más fluido a bajas temperaturas facilitando la lubricación con el mo-tor en frio. Así, un aceite SAE 10W 50, indica la viscosidad del aceite medida a –18 ºC y a 100 ºC respectivamente. Este aceite se comportaría en frío como un SAE 10 y en caliente como un SAE 50. Para una mayor protección en frío, se deberá recurrir a un aceite que tenga el primer número lo más bajo posible y para obtener un mayor grado de protección en caliente para el motor, se de-berá incorporar un aceite que posea un elevado número para la segunda.

Los lubricantes se formulan a partir de mezclas de las diferentes frac-ciones pesadas obtenidas en las columnas de fraccionamiento, que deben ser refinadas y aditivadas con productos específicos para conseguir las ca-racterísticas exigidas.

Entre la diversidad de aditivos cabe señalar los antidesgaste, que favo-recen la permanencia de una película de aceite entre las superficies móvi-les, los detergentes, que limpian el interior del motor o equipo a lubricar de carbonilla y otras partículas y los dispersantes, que facilitan la suspen-sión y rotura de las partículas arrastradas por el detergente. Otros aditivos son los inhibidores de oxidaciones y corrosiones y los antiespumantes.

20.5.3. Asfaltos

Los asfaltos constituyen la fracción más pesada del petróleo crudo. Se encuentra a veces en grandes depósitos naturales, como en el lago Asfalti-tes o mar Muerto (betún de Judea) que afloran a la superficie de la tierra.

Es un sólido amorfo o un fluido de elevada viscosidad con propiedades adhesivas e impermeable que presenta un color negro característico. El asfal-

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to es un sistema coloidal, del tipo de emulsión inversa, donde la fase conti-nua o dispersante está constituida por maltenos y la dispersa por asfaltenos.

Su fabricación se basa en eliminar, de la fracción pesada de partida, la necesaria cantidad de aceite malténico para conseguir las características exigidas de uso, mediante arrastre con vapor y destilación a vacio. La ma-nipulación de los asfaltos exige calentarlos hasta alcanzar viscosidades aceptables o bien emulsionarlos o diluirlos en disolventes volátiles.

Su empleo más extendido es como impermeabilizante de terrenos y cu-biertas y como material ligante de gravas y calizas en la construcción de firmes de carreteras. En ambas aplicaciones su principal característica es su consistencia, definida por su punto (temperatura) de reblandecimiento y por su penetrabilidad.

20.6. PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN

Para la obtención de los principales productos petroquímicos es preciso realizar una transformación estructural de los hidrocarburos parafínicos que, principalmente, componen los productos de partida, descomponerlos en sus elementos o someterlos a reacción con oxígeno u otros compuestos.

La primera de las líneas marcadas corresponde a las operaciones de cra-queo, ya comentadas, y en ellas se obtienen olefinas, acetileno y aromáticos.

20.6.1. Olefinas y acetileno

El etileno es la principal olefina obtenida por craqueo, siendo este a su vez la forma mayoritaria de obtenerlo. Es el producto orgánico de mayor producción, con diferencia sobre el resto. De propileno, segunda olefina en orden de producción, se fabrica algo menos de la mitad.

La práctica totalidad del etileno producido se emplea como materia prima de polímeros, principalmente de polietileno y en menor medida de cloruro de vinilo, óxido de etileno y estireno.

CH2=CH2 + Cl2 → ClCH2-CH2Cl

Q CH2-CHCl + HCl


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El poletileno formado puede ser de alta o baja densidad según que el me-canismo de la reacción de polimerización haya sido por radicales libres (PEBD 0,92-0,94 g/cc) o por transferencia de electrones (PEAD 0,94-0,96 g/cc). Para el PEBD se trabaja a temperaturas medias, del orden de 250 ºC, y pre-siones muy elevadas (2000 atm) que favorece las ramificaciones de la cade-na polimérica, con lo que se precisa más volumen para un mismo peso.

El propileno se obtiene además de por craqueo térmico (vapor) como producto de cabeza en el craquing catalítico y en ocasiones por deshidro-genación de propano.

La mayor parte de su producción se polimeriza para obtener polipro-pileno, seguida del destinado a acrilonitrilo, a cumeno y a óxido de propileno.

CH2 = CH – CH3 + NH3 + 3/2 O2 → CH2 = CH – C ≡ N + 3H2O

CH2=CH-CH3 + → -CH-(CH3)2

El principal hidrocarburo de triple enlace es el acetileno y como tal da nombre a los alquinos.

Cuando el CH4 se calienta a 1400 ºC se produce acetileno. La reacción es endotérmica y con aumento de volumen y por ello esta favorecida por temperaturas altas y bajas presiones parciales de CH4, así como por dilu-ción con vapor de agua, dióxido de carbono, etc.

2CH4 → CH≡CH + 3H2 – 400 KJ/mol

La forma más empleada para aportar la gran cantidad de calor que pre-cisa la reacción es la combustión controlada de una parte del metano u otro combustible, pues el aporte directo mediante arco eléctrico resulta muy costoso.

La mitad de su producción se usa como alimentación en el soplete oxia-cetilénico. Es delicada su manipulación, al ser inestable a temperaturas básicas y descomponerse de manera explosiva por una llama o chispa, ade-más de autoexplosivo a 10-12 atm. Por ello suele transportarse en botellas con un material poroso.

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20.6.2. Descomposición de hidrocarburos

A temperaturas elevadas pueden romperse todos los enlaces C-H para dar «carbono» (negro de humo NH) e hidrógeno. El negro de humo pre-senta una estructura similar a la del grafito y en su análisis se observan, junto al carbono, cantidades variables de cenizas, volátiles, oxígeno e in-cluso agua.

El NH es un producto fundamental en la industria del caucho como re-forzante al aportarle diferentes cualidades que éste no posee, como resis-tencia a la abrasión y a la tensión. Se emplea también como pigmento en pinturas y recubrimientos, como agente conductor o como estabilizante a los rayos ultravioletas.

El NH se expende en forma de pellets para facilitar su manipulación y dispersión en las mezclas, con una densidad aparente cercana a 0,35 kg/l. Al poseer una dureza variable en función del tipo de NH, se fragiliza con facilidad originando problemas en los procesos en los que se emplea.

Si la descomposición de los hidrocarburos se realiza en presencia de oxígeno o agua se obtiene una mezcla variable de monóxido de carbono e hidrógeno, conocida como gas de síntesis.

CnH2n+2 + H2O → nCO + (2n + 1)H2

El gas de síntesis se emplea de forma mayoritaria en la fabricación de amoníaco, como fuente de hidrógeno en las propias refinerías y para otras hidrogenaciones orgánicas y para la obtención de metanol.

El metanol se produce, como se ha indicado, a partir del gas de síntesis mediante el empleo de catalizadores o bien por reacción con dióxido de carbono.

3H2 + CO2 → CH3OH + H2O – 12000 Kcal/Kg

A partir del metanol pueden obtenerse a su vez formaldehido, ácido acético y bases para la mejora del índice de octano como el metilterbutil éter (MTBE).


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1. ¿Cuáles son los constituyentes del petróleo?

2. Establezca las analogías y diferencias entre petróleo, gas natural y piza-rras bituminosas.

3. Discuta razonadamente la posibilidad de obtener gasolina a partir de las pizarras bituminosas.

4. Comente el proceso de fraccionamiento y justifique la necesidad de rea-lizarlo en dos etapas y unidades diferentes.

5. Establezca las diferencias entre pirolisis y combustión.

6. Justifique la necesidad de emplear el reformado en la obtención de isooctano.

7. ¿Por qué es preciso desulfurar el gasóleo para su uso como gasóleo C?

8. Indique las reacciones y el proceso de obtención de metanol.

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Ingeniería química eugenio muñoz camcho