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Introducción a la Ingeniería Química – 2do sem 2010 1
3. Análisis de Procesos:
Operaciones Unitarias
Las operaciones unitarias son cada una de las
acciones necesarias de transporte, adecuación y/o
transformación.
Operaciones Unitarias
El número de estas operaciones básicas no es muy
grande y generalmente sólo unas cuantas de ellas
intervienen en un proceso determinado.
Los procesos químicos siempre pueden subdivirse en
unidades básicas llamadas operaciones unitarias…
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Tipos de Operaciones
Unitarias
Transferencia de Masa
Absorción
Destilación
Extracción
Adsorción
IntercambioIónico
Transferencia de Calor
Intercambiadorde Calor
Hornos
Aerorrefrigerante
Evaporadores
Condensadores
Acumuladores de calor
Placas solares
Transferencia de Calor y Masa
simultáneamente
Cristalización
Secado
Liofilización
Torres de enfriamiento
Transporte de flujidos
Compresores
Bombas
Fluidización y transporteneumático
Separación
Filtración
Sedimentación
Clasificaciónhidráulica
Flotación
Centrifugación
Ósmosis inversa
Operacionesfísicas
complementarias
Trituración
Molienda
Tamizado
Mezclado
Almacenajemateriales
Reactores
Procesos / Operaciones
reactores intercambiadores bombas separadoresmezcladores
Las operaciones unitarias mas comunes se producen en:
las cuales existen en una variedad de formas distintas.
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En cada proceso / operación unitaria se cambian las condiciones de
una determinada cantidad de materia de una o más de las siguientes
formas:
modificando su masa o composición
modificando el nivel o calidad de la energía que posee
modificando sus condiciones de movimiento
Procesos / Operaciones
Cada operación unitaria tiene una fuerza impulsora, un
gradiente en alguna propiedad, que da cuenta del mecanismo
principal de transferencia:
Operaciones Unitarias
CASO MECANISMOGRADIENTE
IMPULSOR
transferencia de masa difusión concentración
transferencia de calorconducción, convección
y/o radiacióntemperatura
transferencia de
cantidad de movimientorozamiento velocidad
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Transferencia de masa
Transferencia de calor
Transferencia simultánea de calor y masa
Transporte de cantidad de movimiento
Operaciones físicas complementarias
Reactores
Operaciones Unitarias
Definición Operación Aparatos Ejemplos
Destilación Separar mezcla liq. por dif.en volatilidad.
simple, súbita, rectificación, extractiva.
-col. de platos:- col. de relleno (packing towers).
Petróleo, solventes, licores.
Absorción Purificar gas de un comp. por contacto con líq.
- similar destilación- torres - centrífugos
Eliminación de gases ácidos de corrientes.
Extracción(lixiviación o lavado)
Mezcla (liq-liq o sol-liq) en disolvente selectivo.
-contacto por etapas - contacto continuo
-columnas -- Soxhlet
Petróleo, extracción de aceites, lixiviado de minerales.
Adsorción Eliminar comp. de fase fluida mediante sólido que lo retiene.
- lecho fijoAlumina, silica gel, carbón
- columnas de lecho fijo en paralelo
Secar gases, olor, solventes..
Intercambio iónico
Sustitución de iones de disolución por otros en sólido.
- resina catiónica- resina aniónica
- dos columnas para operación y regeneración
Ablandar agua, desminera-lización.
Transferencia de masa
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Destilación
Separación de componentes de una mezcla líquida en base a su diferente volatilidad (presiones de vapor)
Absorción
Purificar gas de un componente poniendo en contacto con solvente líquido
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Extracción
Disolución de un componente de una mezcla (liq.-liq. o sol.-liq.) en disolvente selectivo.
Adsorción
Eliminar un componente de fase fluida mediante un sólido que lo retiene.
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Intercambio iónico
Sustitución de iones de disolución por otros con la misma carga que están en sólido.
Transferencia de masa
Transferencia de calor
Transferencia simultánea de calor y masa
Transporte de cantidad de movimiento
Operaciones físicas complementarias
Reactores
Operaciones Unitarias
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Hornos Sólido o fluído Radiacion. Comb.: carbón, fuel, gas.
Craqueo de nafta.
Definición Operación Ejemplos
Intercambiador de calor
Intercambio entre fluidos
Tubos concéntricosCarcasa y tubosPlacas
Uso extendido en la industria
Aerorrefrigerantes
Fluído con aire ambiente
Ventiladores, tiro inducido o forzado.
Con corrosión o el agua es cara.
Evaporadores Concentrar una disolución
Simple y múltiple efecto.
Conc. de leche, agua desanilizada
Condensadores Condensación de vapor por líquido frío.
Idem Anteriores Uso extendido en la industria.
Acumuladores de calor
Recuperar calor de corrientes de gas.
Apilamientos de materiales como ladrillos, piedras o virutas metálicas.
Hornos de fabricación de vidrio.
Placas solares Calor del sol calienta agua
Radiación atraviesa cristal que incide sobre serpentín.
Transferencia de calor
Intercambiadores de calor (1)
Doble tubo:
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Intercambiadores de calor (2)
Carcasa y tubos:
Intercambiadores de calor (3)
Placas:
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Placas solares
Transferencia de masa
Transferencia de calor
Transferencia simultánea de calor y masa
Transporte de cantidad de movimiento
Operaciones físicas complementarias
Reactores
Operaciones Unitarias
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Definición Operación Aparatos Ejemplo
Acondicionamiento de gases o
enfriamiento de líquidos.
Modifica humedad / temperatura de aire o agua.
Pone en contacto aire con agua, o con gas no sat.
Torres de enfriamiento.
Central térmica
Cristalización Formación cristal sólido en sol. líq. sobresaturada.
Actúa por sobresaturado o diferencias de temp.
cristalizadores - de tanque- evaporadores- de vacío
Purificar productos obtener cristales.
Secado Reducción de contenido de líq. en sólido.
Contacto - directo- continuo
- de bandejas- rotativos- evap. súbita
Uso extendido industrial.
Liofilización criodeshidrataci
ón
Eliminación de agua de sólido, sublimación.
Alto vacío, temp. Menor al PF del agua.
-Placas planas calientes,bandejas
Café soluble, fármacos.
Transferencia simultánea de calor y masa
Acondicionamiento de gases
Modificar humedad y temperatura de corriente de aire o de agua.
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Enfriamiento de Líquidos
Modificar humedad y temperatura de corriente de aire o de agua.
Cristalización Separación de un componente mediante la formación de sólidos cristalinos
en disoluciones líquidas sobresaturadas.
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Secado
Reducción de contenido de líquido (en general agua) en un sólido.
Liofilización
Eliminación de agua de un sólido por sublimación.
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Transferencia de masa
Transferencia de calor
Transferencia simultánea de calor y masa
Transporte de cantidad de movimiento
Operaciones físicas complementarias
Reactores
Operaciones Unitarias
Circulación de fluidos: bombas
Definición Aparatos
Conducciones Transporte desde y hasta lasoperaciones del proceso.
- Canales abiertos- Sección circular: tuberías- Sección cuadrada
Compresores Incrementar la presión, pormedio del suministro deenergía mecánica.
-alternativos- rotativos- axiales
Bombas Impulsar líquidos, por medio del suministro de energía mecánica
-Centrifugas - Desplazamiento positivo:
- alternativas o de pistón- rotatorias (engranajes, aletas, excéntricas)- peristálticas- tornillo
Válvulas Regular el caudal de fluidopor una conducción
Rozamiento adicional al sistema
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Conducciones
Transporte desde y hasta las distintas operaciones del proceso.
Bombas
Impulsar líquidos, por medio del suministro de energía mecánica
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Compresores
Incrementar la presión, por medio del suministro de energía mecánica.
Válvulas
mariposa esférica (de bola)
de asiento de compuerta de retención
Regular el caudal de fluido por una conducción
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Definición Operación Aparatos Ejemplo
Fluidización y transporte neumático
Circulación de fluído por lecho sólidos
Temperatura en todos los puntos es cte.
Lecho de catalizador, ciclones.
CatalizadorTostación minerales
Filtración Separación sólido líquido y sólido gas.
Retención de partículas en placa filtrante.
- prensa/ placas- rotatorios- centrífugos etc
Aprovechar sólido, turbidez.
Sedimentación Separación sólido líquido ylíquido líquido
Diferencia de densidad, gravedad
- sedimentador- separador de grasas y aceites
Tratamiento de efluentes.
Clasificación hidráulica
Separación de una mezcla de sólidos
Diferencia de formas, tamaño y densidad .
- Tanques.- Separación neumática
Uso extendido industrial
Flotación Separación sólido líquido y sólido sólido
Diferencia de densidades y mojabilidad.
- Celda de flotación, tensoactivos.
Mineral
Centrifugación Separación de fases densidad parecida
Sistema mecánico de rotación.
- centrífugas- ciclones- hidrociclones
Uso extendido, petróleo
Transporte de cantidad de movimiento
Fluidización y transporte neumático
Circulación de fluido a través de un lecho de sólidos.
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Filtración Circulación de fluido a través de un lecho de sólidos:
separación sólido líquido y sólido gas.
Sedimentación
Movimiento de sólidos en seno de fluidos:
separación sólido - líquido y líquido - líquido.
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Clasificación hidráulica
Suspensión
Agua
GruesosFinos
Agua
Separación de una mezcla de sólidos.
Flotación
Espumaconcentrada
Mezclasólidos
Ganga yagua
Aire
Separación sólido - líquido y sólido - sólido
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Centrifugación
Separación de dos fases de densidad parecida.
Transferencia de masa
Transferencia de calor
Transferencia simultánea de calor y masa
Transporte de cantidad de movimiento
Operaciones físicas complementarias
Reactores
Operaciones Unitarias
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Operaciones físicas complementarias
Definición Operación Aparatos Ejemplo
Trituración Reducción del tamaño de partícula
Grandes trozos se rompen por compresión.
Mandíbulas, rotatorias, de rodillos
Uso extendido industrial.
Molienda Reducción del tamaño de partícula.
Fricción e impacto con móviles.
Molinos de: bola, martillo, barra, chorro.
Uso extendido industrial.
Tamizado Separación por tamaños de partículas.
Pasan las partículas de menor tamaño por malla.
Malla con movimiento de vaivén o vibración.
Uso extendido industrial.
Mezclado de sólidos y pastas
Recipiente agitado vaivénPastas: paletas.
Uso extendido industrial.
Almacenaje de materiales
Para materias primas, prod. Intermedios o finales
Costo del recipiente, del material, volatilidad, etc
- A granel, silos, tolvas.-Tanques fijos techo flotante.- Gasómetros, licuados.
Trituración
Reducción del tamaño de partícula del sólido.
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Molienda
Reducción del tamaño de partícula del sólido.
Tamizado
Separación por tamaños de partículas de una mezcla sólida.
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Mezclado de sólidos y pastas
Homogenización de una mezcla sólida.
Almacenaje de materiales
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Transferencia de masa
Transferencia de calor
Transferencia simultánea de calor y masa
Transporte de cantidad de movimiento
Operaciones físicas complementarias
Reactores
Operaciones Unitarias
Reactores
Propósito:
Equipos donde se llevan a cabo las reacciones químicas
Aparatos:
Reactor Batch
Reactor Continuo Agitado (RCA)
Reactor Tubular Flujo Pistón (RTFP)
Operación:
Según el modelo de flujo, reactores de mezcla perfecta – reactores de
flujo de pistón.
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Reactores
A
B
P
A
P
B
Reactor Batch
RCARTFP