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PROCESOS Y OPERACIONES QUIMICAS ¿Qué son, y para que sirven ?
PROCESO QUIMICO Conjunto de Operaciones físicas y/o químicas ordenadas para la transformación de unas materias primas iniciales en productos finales diferentes MATERIAS  PRIMAS PROCESO QUIMICO PRODUCTO TERMINADO Operaciones Físicas Operaciones Químicas OPERACIONES UNITARIAS
Objetivos de las Operaciones Unitarias: Modificar las condiciones de una determinada cantidad de materia Tipo de Modificaciones: Masa o composición ,[object Object],[object Object],[object Object],Nivel o calidad de Energía que posee ,[object Object],[object Object],[object Object],Condiciones de Movimiento ,[object Object],[object Object]
Leyes conservativas que gobiernan un proceso químico: Ley de Conservación de la Materia :   masa  inicial  =    masa  final Ley de Conservación de la Energía :   energía  inicial  =    energía  final Ley de Conservación de la Cantidad de Movimiento :   m1 . V1 +  m2 . V2 ) inicial  =    (m1 . V1 + m2 . V2)  final
Operaciones Unitarias y Procesos Unitarios Pasos para obtener un producto en un Proceso Químico: # Antes :   generalmente se producen cambios físicos. Las materias primas deben acondicionarse antes de entrar al proceso # Durante:   generalmente hay uno o varios reactores donde suceden las reacciones químicas # Después:  los productos obtenidos deben acondicionarse para poder salir al mercado En general las operaciones que producen cambios físicos se denominan:  OPERACIONES UNITARIAS . Las que producen cambios químicos se conocen como: PROCESOS UNITARIOS
Clasificación de las Operaciones Unitarias ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],Clasificación de los Procesos Unitarios ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],6. Calcinación 7. Esterificación 8. Nitración 9. Halogenación 10. Sulfonación 11. Hidrólisis 12. Hidrogenación 13. Alquilación 14. Condensación q. 15. Polimerización 16. Fermentación 17. Pirolisis 18. Aromatización 19. Isomerización 20. Deshidratación
Tipos de Procesos ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]
SERVICIOS DE UN PROCESO QUIMICO Todo Proceso Químico requiere de servicios periféricos para poder funcionar. Su diseño, selección y localización suele ser tanto o más importante que el proceso mismo. Los mas importantes son: ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]
TIPOS DE REPRESENTACIONES DE UN PROCESO QUIMICO ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],En general la secuencia de diseño es :  BFD      PFD     P & Inst D DIAGRAMA DE BLOQUES:  es la forma mas simple de representar un proceso. Cada bloque representa una etapa principal o un equipo individual, o grupo de equipos interconectados en forma organizada de  un proceso. Los bloques utilizados son usualmente rectángulos  ó elipses, siempre del mismo tamaño
Convenciones para armar un Diagrama de Bloques  (BFD) ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],Veamos un ejemplo de un típico proceso químico en el cual cada bloque representa una etapa del proceso total para obtener un producto a partir de materias primas.  La complejidad de cada etapa dependerá de la naturaleza del proceso
Venta del Producto … de la reacción al diagrama…. Vamos a preparar un diagrama de bloques para la obtención del producto  ABC  sólido a partir de las materias primas con  impurezas  según la siguiente reacción: A  (   d , e )  +  B   ( f  )     AB AB   +  C  ( w  )     ABC  +  G   … ejemplo de un típico proceso químico… Almacenamiento De Materias Primas ETAPA 1 Preparación de la  alimentación ETAPA 2 Reacción ETAPA 3 Separación Del Producto ETAPA 4 ETAPA 5 Purificación Del producto Almacenamiento Del Producto ETAPA 6
A  con  D  y  E purificador Impurezas  D  y  E A REACTOR B  con  F purificador Impureza  F B separador AB REACTOR C  con  W purificador C Impureza  W separador purificador G residuos ABC purificador molienda tamizado Reciclo de gruesos Reciclo de finos residuos purificador Reciclo de reactivos A y B sin reaccionar ABC  +   G G   + residuos ABC
Diagrama de Flujo  (PFD) ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]
EJEMPLO DE DIAGRAMA DE FLUJO
EJEMPLO DE DIAGRAMA DE P & ID
Estrategia para resolver problemas de balance de materia (9 pasos) ,[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]
Desarrollo de un problema ejemplo: la fabricación del  azúcar La caña de azúcar alimenta a un molino donde se extrae el jarabe por trituración; el bagazo resultante contiene 80 % de pulpa. El jarabe que contiene fragmentos de pulpa se alimenta a una malla que separa toda la pulpa y produce un jarabe transparente que contiene 15 % de azúcar y 85 % de agua en peso. Este jarabe se envia a un evaporador que produce un jarabe pesado que es posteriormente enviado a un cristalizador que produce 800 kg/hr de cristales de azúcar. Datos:   1) Composición de la alimentación: azúcar 16 %, agua 25 %, pulpa 59 % 2) Composición del jarabe sucio: azúcar 13 %, pulpa 14 % 3) Pulpa separada de la malla 95 %  4) Liquido salido del evaporador contiene 40 % de azúcar Se pide:  a) Confección de un diagrama de bloques b) Cantidad de agua eliminada en el evaporador c) Las fracciones de masa de los componentes del flujo de desecho d) El caudal de alimentación de caña de azúcar e) El % de azúcar que entra con la caña que se pierde en el bagazo. f) Si la operación resulta eficiente justificando el resultado.
MOLINO MALLA EVAPORADOR CRISTALIZADOR CAÑA Azúcar: 16 % Agua:  25 % Pulpa: 59 % Bagazo con 80 % de pulpa B C Azúcar 13 % , pulpa 14 % D Pulpa 95 % E Azúcar 15 % Agua F G Azúcar 40 % Agua H I Azúcar cristalizada: 800 kg / hr A DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PROBLEMA A B MOLINO
Solución: Planteo de ecuaciones con los balances parciales y el global (lo que entra = lo que sale) Global:   A = B + D + F + H + I Azúcar:  0,16 x   A =  azúcar en B  x  B +  azúcar en D x  D +  800 kg Agua:   0,231 x  A =  agua en   B  x  B +  agua en D x  D + F + H   Pulpa:  0,601 x   A =   pulpa en   B   x  B  +  0,95 x   D =  0,80 x  B +  0,95 x  D Balance en el cristalizador : G = H + I = H + 800  Composición de  G  = 40 % azúcar + 60 % agua Si el 40 % de azucar es = a 800 kg, el agua  H  es = 1200 kg     G =  2.000 kg En la corriente  E  el 15 % de azúcar es = 800 kg     E  = 5.333,33 kg Balance en el evaporador   E = G + F    F = E – G  = 5.333,33 – 2.000 = 3.333,33 a)  Balance en la malla:   C = D + E   b) Azucar  0,13 x  C  =  azucar en D x  D +  azucar en E   x  E =  azucar en D x   D +  800 c)  Pulpa  0,14 x  C =  0,95 X  D    C =  0,95/0,14 X  D =  6,786 X  D Reemplazando en a) :  6,786 D = D + 5.333,33     D  = 5.333,33/5,786 = 921,7
C  = 6.786 X 921,7 = 6.255    agua en  C  = (100 – 27) x 6.255 = 4566,15 Azucar en D = (0,13 x 6.255 – 800)/921,7 = 1.42 % Agua en D = 100 – 95 – 1.42 =  3,58 % Balance en el molino  : a)  A = B + C = B  + 6.255 b) Azucar  0.16 x  A  =  azucar en B  x  B  + 0.13 x   6255 c) Pulpa  0.59 x  A =  0.80 .  B +  0.14 x   6.255 = 0.80 .  B  + 875,7 Despejando  A  en c) y reemplazando en a) :  B  = 13630,8     A =  19885.8 Resumen en respuestas: b)  F  = 3.333,33 c)  B : pulpa 0.80 (10.904.6);  azúcar 0.17 (2.317,2) , agua 0.03 (408,9) d)  A  = 19.885,8 kg/h e) 74,8 % f) La operación es totalmente ineficiente dado que se recupera el 25 % de azúcar
MATRIZ DE CORRIENTES, CAUDALES Y COMPOSICIONES Con esta matriz se verifica la consistencia de los resultados.   800 1200      2000 3.333,3 5.333,3 921, 7 6255   13630,8    19.885,8   Caudal   X   X X    X   X 875,6   875,7 10.904,6   11.732,6 Pulpa   800 X   800   X   800   13 813,15  2.368,5   3.181,7 Azucar   X   1200   1200 3.333,3 4533.3   33.1   4.566,15   357,7 4.971,45 Agua I H G F E D C B A CORRIENTE
[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object],[object Object]

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Presentación procesos1

  • 1. PROCESOS Y OPERACIONES QUIMICAS ¿Qué son, y para que sirven ?
  • 2. PROCESO QUIMICO Conjunto de Operaciones físicas y/o químicas ordenadas para la transformación de unas materias primas iniciales en productos finales diferentes MATERIAS PRIMAS PROCESO QUIMICO PRODUCTO TERMINADO Operaciones Físicas Operaciones Químicas OPERACIONES UNITARIAS
  • 3.
  • 4. Leyes conservativas que gobiernan un proceso químico: Ley de Conservación de la Materia :   masa inicial =  masa final Ley de Conservación de la Energía :   energía inicial =  energía final Ley de Conservación de la Cantidad de Movimiento :   m1 . V1 + m2 . V2 ) inicial =  (m1 . V1 + m2 . V2) final
  • 5. Operaciones Unitarias y Procesos Unitarios Pasos para obtener un producto en un Proceso Químico: # Antes : generalmente se producen cambios físicos. Las materias primas deben acondicionarse antes de entrar al proceso # Durante: generalmente hay uno o varios reactores donde suceden las reacciones químicas # Después: los productos obtenidos deben acondicionarse para poder salir al mercado En general las operaciones que producen cambios físicos se denominan: OPERACIONES UNITARIAS . Las que producen cambios químicos se conocen como: PROCESOS UNITARIOS
  • 6.
  • 7.
  • 8.
  • 9.
  • 10.
  • 11. Venta del Producto … de la reacción al diagrama…. Vamos a preparar un diagrama de bloques para la obtención del producto ABC sólido a partir de las materias primas con impurezas según la siguiente reacción: A ( d , e ) + B ( f )  AB AB + C ( w )  ABC + G … ejemplo de un típico proceso químico… Almacenamiento De Materias Primas ETAPA 1 Preparación de la alimentación ETAPA 2 Reacción ETAPA 3 Separación Del Producto ETAPA 4 ETAPA 5 Purificación Del producto Almacenamiento Del Producto ETAPA 6
  • 12. A con D y E purificador Impurezas D y E A REACTOR B con F purificador Impureza F B separador AB REACTOR C con W purificador C Impureza W separador purificador G residuos ABC purificador molienda tamizado Reciclo de gruesos Reciclo de finos residuos purificador Reciclo de reactivos A y B sin reaccionar ABC + G G + residuos ABC
  • 13.
  • 15. EJEMPLO DE DIAGRAMA DE P & ID
  • 16.
  • 17. Desarrollo de un problema ejemplo: la fabricación del azúcar La caña de azúcar alimenta a un molino donde se extrae el jarabe por trituración; el bagazo resultante contiene 80 % de pulpa. El jarabe que contiene fragmentos de pulpa se alimenta a una malla que separa toda la pulpa y produce un jarabe transparente que contiene 15 % de azúcar y 85 % de agua en peso. Este jarabe se envia a un evaporador que produce un jarabe pesado que es posteriormente enviado a un cristalizador que produce 800 kg/hr de cristales de azúcar. Datos: 1) Composición de la alimentación: azúcar 16 %, agua 25 %, pulpa 59 % 2) Composición del jarabe sucio: azúcar 13 %, pulpa 14 % 3) Pulpa separada de la malla 95 % 4) Liquido salido del evaporador contiene 40 % de azúcar Se pide: a) Confección de un diagrama de bloques b) Cantidad de agua eliminada en el evaporador c) Las fracciones de masa de los componentes del flujo de desecho d) El caudal de alimentación de caña de azúcar e) El % de azúcar que entra con la caña que se pierde en el bagazo. f) Si la operación resulta eficiente justificando el resultado.
  • 18. MOLINO MALLA EVAPORADOR CRISTALIZADOR CAÑA Azúcar: 16 % Agua: 25 % Pulpa: 59 % Bagazo con 80 % de pulpa B C Azúcar 13 % , pulpa 14 % D Pulpa 95 % E Azúcar 15 % Agua F G Azúcar 40 % Agua H I Azúcar cristalizada: 800 kg / hr A DIAGRAMA DE BLOQUES DEL PROBLEMA A B MOLINO
  • 19. Solución: Planteo de ecuaciones con los balances parciales y el global (lo que entra = lo que sale) Global: A = B + D + F + H + I Azúcar: 0,16 x A = azúcar en B x B + azúcar en D x D + 800 kg Agua: 0,231 x A = agua en B x B + agua en D x D + F + H Pulpa: 0,601 x A = pulpa en B x B + 0,95 x D = 0,80 x B + 0,95 x D Balance en el cristalizador : G = H + I = H + 800 Composición de G = 40 % azúcar + 60 % agua Si el 40 % de azucar es = a 800 kg, el agua H es = 1200 kg  G = 2.000 kg En la corriente E el 15 % de azúcar es = 800 kg  E = 5.333,33 kg Balance en el evaporador E = G + F  F = E – G = 5.333,33 – 2.000 = 3.333,33 a) Balance en la malla: C = D + E b) Azucar 0,13 x C = azucar en D x D + azucar en E x E = azucar en D x D + 800 c) Pulpa 0,14 x C = 0,95 X D  C = 0,95/0,14 X D = 6,786 X D Reemplazando en a) : 6,786 D = D + 5.333,33  D = 5.333,33/5,786 = 921,7
  • 20. C = 6.786 X 921,7 = 6.255  agua en C = (100 – 27) x 6.255 = 4566,15 Azucar en D = (0,13 x 6.255 – 800)/921,7 = 1.42 % Agua en D = 100 – 95 – 1.42 = 3,58 % Balance en el molino : a) A = B + C = B + 6.255 b) Azucar 0.16 x A = azucar en B x B + 0.13 x 6255 c) Pulpa 0.59 x A = 0.80 . B + 0.14 x 6.255 = 0.80 . B + 875,7 Despejando A en c) y reemplazando en a) : B = 13630,8  A = 19885.8 Resumen en respuestas: b) F = 3.333,33 c) B : pulpa 0.80 (10.904.6); azúcar 0.17 (2.317,2) , agua 0.03 (408,9) d) A = 19.885,8 kg/h e) 74,8 % f) La operación es totalmente ineficiente dado que se recupera el 25 % de azúcar
  • 21. MATRIZ DE CORRIENTES, CAUDALES Y COMPOSICIONES Con esta matriz se verifica la consistencia de los resultados.   800 1200     2000 3.333,3 5.333,3 921, 7 6255   13630,8   19.885,8   Caudal   X   X X    X   X 875,6   875,7 10.904,6   11.732,6 Pulpa   800 X   800   X   800   13 813,15  2.368,5   3.181,7 Azucar   X   1200   1200 3.333,3 4533.3   33.1   4.566,15   357,7 4.971,45 Agua I H G F E D C B A CORRIENTE
  • 22.