TEMA 2. INTRODUCCIÓN N A LAS OPERACIONES

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1 TEMA 2. INTRODUCCIÓN N A LAS OPERACIONES BÁSICAS E INGENIERÍA A DE LA REACCIÓN N QUÍMICA 1. Operaciones Básicas B o Unitarias 1.1. Concepto de operación n unitaria y método m de trabajo 1.2. Clasificación n y descripción n de las operaciones unitarias de separación 2. Ingeniería a de la reacción n química 2.1. Generalidades 2.2. Reactores químicos Bibliografía INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA G. Calleja, F. García, A. de Lucas, D. Prats y J.M. Rodríguez Ed. Síntesis, Madrid, Tema 3 y Tema 13 CURSO DE INGENIERÍA QUÍMICA J. Costa López y otros. Editorial Reverté, S.A, 1991 Tema 2

2 1. OPERACIONES BÁSICAS B O UNITARIAS Enfoque típico t de la Química Industrial Descriptivo y aplicado a cada proceso Enfoque típico t de las Operaciones Unitarias Menos descriptivo pero más m s científico y sistemático tico

3 1.1. CONCEPTO DE OPERACIÓN N UNITARIA Y MODOS DE OPERACIÓN Operación n unitaria Cada una de las operaciones o etapas individuales con una función n específica diferenciada que, coordinadas entre sí, s, permiten llevar a cabo un proceso químico mico-industrial. industrial. Directo Indirecto

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5 SEGÚN N MODO DE OPERACIÓN OPERACIONES CONTINUAS Entrada y salida continua de las corrientes Régimen estacionario (variables intensivas no varían con el tiempo) Alta productividad no se interrumpe la operación continua salida de productos Tamaño de equipos menores Velocidad de transferencia de propiedad Tiempo de residencia Cantidad de alimentación Pureza del producto Condiciones de trabajo (P, T, etc)

6 SEGÚN N MODO DE OPERACIÓN OPERACIONES DISCONTINUAS Operaciones intermitentes o por lotes Periodos (carga, procesado y descarga) El tiempo es una variable clave (tamaño del equipo) Régimen no estacionario (no hay entrada ni salida continua de corriente) Pequeña escala, producto de alto valor añadido y/o paradas frecuentes

7 SEGÚN N MODO DE OPERACIÓN OPERACIONES SEMICONTINUAS Entrada y salida continua de alguna corriente Periodos de carga, procesado y descarga para el resto El tiempo es una variable clave (tamaño del equipo) Régimen no estacionario

8 SEGÚN N DIRECCIONES DE FLUJO Eficiencia y rendimiento de la operación modo de circulación de las fases Transporte máximo de propiedad Flujo en paralelo Flujo en contracorriente Flujo cruzado

9 SEGÚN N MODO DE CONTACTO ENTRE LAS FASES Contacto continuo Fases en contacto permanente en el interior del equipo. Su separación se produce a la salida Favorecen el transporte de propiedad Columnas de relleno, reactores de lecho fijo y lecho fluidizado, etc. Contacto intermitente Fases se separan y se vuelven a mezclar en etapas de contacto sucesivas Columnas de platos

10 1.2. CLASIFICACIÓN N Y DESCRIPCIÓN N DE LAS OPERACIONES UNITARIAS Atendiendo a las fases que intervienen en la operación

11 Atendiendo al mecanismo de transporte controlante Transferencia de cantidad de movimiento Agitación y mezclado de líquidos Filtración Fluidización Sedimentación Centrifugación Trituración y Molienda

12 Objetivo operación unitaria Modificar las condiciones de una determinada corriente de materia Modificación de las condiciones de movimiento - Existencia de dos fases (sólido + fluido) en contacto. - Existe una diferencia de velocidades entre ambas (movimiento relativo). - Procesos que implican transporte, contacto o separaciones mecánicas (Flujo de fluidos, filtración, sedimentación, mezclado, etc.) Modificación del nivel energético - Existe una diferencia de temperatura entre dos puntos. - Calentamiento, enfriamiento o cambios de fase. - Cambiadores de calor, evaporadores, etc. Modificación de la masa o composición - Existen dos fases en contacto (fluido + sólido ó fluido + fluido) - Existe multiplicidad de componente en al menos una de las fases. - Separaciones de algún componente de una mezcla (destilación, extracciones L-L ó S-L, absorción de gases, adsorción, etc.)

13 Aspecto clave y básico en el diseño de operaciones unitarias Balances de propiedad extensiva (Leyes de conservación) Salida Entrada SISTEMA Transferencias con el medio Entrada al sistema Salida del sistema Transformación en el sistema Acumulación en el sistema Rapidez con la que se consigue el transporte de propiedad Densidad de flujo de propiedad dp φy = δ dy Coeficiente de transferencia de propiedad Fuerza impulsora φ y δ P Leyes cinéticas τ yx υ ρ u x Ley de Newton q/a y α ρ h Ley de Fourier m Ay D AB ρ W A Ley de Fick FENÓMENOS DE TRANSPORTE

14 OP. UNITARIAS CONTROLADAS POR LA TRANSF. DE MATERIA DESTILACIÓN Separar dos o más componentes de una mezcla líquida aprovechando las diferencias en sus presiones de vapor (separación G-L) Destilación binaria y destilación multicomponente Recipientes cilíndricos con una entrada (alimentación) y dos salidas (destilado por la cabeza y residuos por la cola) o varias salidas laterales. Separación componentes del petróleo e industria petroquímica en general, recuperación de disolventes, fabricación de licores, etc.

15 DESTILACIÓN: MODOS DE OPERACIÓN Destilación simple Líquido hierve en una caldera Producto destilado Residuo caldera En continuo o discontinuo Destilación súbita o flash Expansión súbita de un líquido caliente Fase vapor rica en volátiles Fase condensada rica en no volátiles Destilación con reflujo o rectificación Reflujo relación de destilado devuelto a la columna Transferencia de materia por etapas o en continuo Operación de separación más común en la industria química Destilación extractiva Adición tercer componente a mezcla binaria Modifica la volatilidad relativa de los componentes Disolvente sale como residuo junto a un componente Destilación azeotrópica Adición tercer componente a mezcla binaria Tercer componente forma azeótropo con uno de los de la mezcla Destilación por arrastre de vapor (stripping) Mezclas sensibles al calor Inyección directa de vapor de agua recalentado Reduce la presión parcial de los componentes ( Tª vaporización) Vapor no llega a condensar (sale por el destilado)

16 EQUIPOS DE DESTILACIÓN COLUMNAS DE PLATOS (STAGED COLUMN) Tipos de caperuzas de barboteo Contacto discontinuo o por etapas Platos Superficie plana y perforada que divide la columna en etapas (platos perforados, de campana, de válvulas, etc.) Vapor se burbujea a través del líquido retenido en cada plato Equilibrio L-V fuerza impulsora diferencia de composición Eficacia del plato < 100 % (plato ideal alcanza equilibrio L-V) Plato

17 EQUIPOS DE DESTILACIÓN COLUMNAS DE RELLENO (PACKING TOWERS) Anillos Raschig Anillos Pal Anillos Intalox Rellenos estructurado Contacto continuo Columna con baja relación diámetro-altura Tiempo de contacto en cada sección de columna es muy corto Relleno sólidos de alta superficie específica por unidad de volumen, poco peso, alta resistencia y escasa compactación

18 2. INGENIERÍA A DE LA REACCIÓN N QUÍMICA. 2.1 GENERALIDADES Estudio de las reacciones químicas Diseño de reactores químicos -Termodinámica Condiciones en las que la reacción es posible y en qué grado (equilibrio químico) y balance entálpico (calor de reacción). - Cinética química velocidad de la reacción química y parámetros que la afectan (concentraciones, temperatura, presión) - Fases en las que se desarrolla la reacción (homogénea o heterogénea) A veces difusión etapa controlante (considerar velocidad de difusión)

19 VELOCIDAD DE REACCIÓN Y ECUACIÓN CINÉTICA Velocidad de reacción Define el número de moles de reactivos o productos que se transforman por unidad de tiempo y volumen de la mezcla de reacción (reacciones homogéneas) o superficie de contacto entre las fases (reacciones heterogéneas) aa + bb cc + dd ( r ) A 1 a 1 V dn dt A 1 a 1 V d ( VC ) dt A = 1 1 c V dn dt C ( r ) Velocidad de reacción = f (concentración reactivos y productos y temperatura de reacción) C Ecuación cinética Expresa la relación entre velocidad de reacción y los diferentes parámetros de los que depende (concentración, reactivos y productos, temperatura y presión) De origen empírico α β ( r ) = k C ) ( C ) A ( A B α y β órdenes de reacción k constante cinética Seguimiento de la reacción modificación en la concentración de reactivos o productos variación de volumen (en reacciones gaseosas)

20 k = A e Ea / RT

21 CLASIFICACIÓN N DE LAS REACCIONES QUÍMICAS Atendiendo a las fases que intervienen Reacciones homogéneas Reacciones heterogéneas: G-L: Absorción de NO 2 en agua para dar ácido nítrico G-S: Adsorción de SO 2 sobre cal para dar sulfato cálcico Gasificación del carbón con aire para dar CO, CO 2, H 2 y H 2 O L-L: Nitración del benceno L-S. Disolución de metales por ácido S-S: Reducción de óxidos metálicos por mezclas con coque como sólido reductor Reacciones catalíticas homogéneas Reacciones catalíticas heterogéneas

22 Atendiendo a la estequiometría de la reacción Reacciones simples: A + B D Reacciones complejas o múltiples: En serie: A + B D D + C E En paralelo: A + B D A + C E Consecutivas: A + B D D + B E Reacciones elementales: el orden de reacción coincide con la molecularidad A + B D (-r A = k C A C B ) Reacciones no elementales: A + B D ( r D ) = k1c AC k + C 2 D B 1 2 C B

23 ÍNDICES TÉCNICOS PARA OPTIMIZAR EL DISEÑO DE REACTORES QUÍMICOS: CONVERSIÓN (X A ) X A = cantidad cantidad de A reaccionada de A alimentada Referida a un reactivo (reactivo limitante) Es adimensional moles formados de producto deseado RENDIMIENTO (R) R = x100 [0-100] moles que se formarían en ausencia de reacciones adyacentes y para conversióndel 100% S = moles formados de producto deseado moles formados de productos no deseado SELECTIVIDAD (S) >1 INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA QUÍMICA TEMA 2

24 2.2. REACTORES QUÍMICOS Reacción química Diseño del reactor Selección del tipo de reactor (características de reacción, grado de mezcla y contacto entre fases) Volumen del reactor (capacidad y tiempo de contacto) Condiciones de presión, temperatura y composición.

25 CLASIFICACIÓN N DE LOS REACTORES QUÍMICOS Los reactivos circulan a lo largo del mismo sin que exista mezcla en la dirección de flujo (modelo flujo pistón) Los reactivos alcanzan un grado de mezcla total (modelo mezcla completa)