Balance de materia y energía EIP1124

Transcripción

1 Balance de materia y energía EIP1124 Alejandra Sánchez B PROCESO Secuencia de actividades que se lleva a cabo para obtener un resultado determinado a través de la transformación de materias primas, insumos y del uso de los recursos disponibles 1

2 Balances de Materia y Energía en los Procesos MACROPROCESO PROCESO MICROPROCESO Ingeniería de procesos: Conversión de materias primas en productos. Pinturas Alimentos Plásticos Celulosa Ingeniería de Procesos Química Fina Industria pesquera Minería Biotecnología Petroquímica 2

3 PROCESO QUIMICO Sistema formado por equipos, interconectados en forma organizada, que permiten cambios físicos y químicos dando lugar a un producto de interés. PROCESOS QUIMICOS Industrias extractivas El sector de las industrias extractivas (gas, petróleo, gas y minería) representa una parte importante de las exportaciones y una fuente de ingresos para el país. 3

4 PROCESOS QUIMICOS Industrias química y petroquímica. PROCESOS QUIMICOS Industria textil 4

5 PROCESOS QUIMICOS Industria alimenticia PROCESOS QUIMICOS Industria manufacturera con armado en línea 5

6 PROCESO QUIMICO MATERIAS PRIMAS INSUMOS Conocimiento Ingeniería Trabajo Energía Capital PROCESO PRODUCTOS SISTEMA GLOBAL DE UN PROCESO QUÍMICO Materias Primas Insumos Productos PLANTA DE PROCESOS QUIMICOS Corrientes calientes Corrientes frías RED DE INTERCAMBIADORES DE CALOR Electricidad Agua Combustibles Aire Suministros y Servicios PLANTAS DE SERVICIOS Calderas, Turbinas Aire comprimido Oxigeno, vacío Servicio de calentamiento Servicio de enfriamiento 6

7 Still TIPOS DE PROCESOS: - CONTINUO / DISCONTINUO (Batch) - ESTACIONARIO / DINÁMICO PROCESOS CONTINUO Catalyst Product Fedd HEAT REACTOR SEPARATOR Heat Product PROCESOS DISCONTINUO (1) Fedd (2) Catalyst HEAT REACTOR SEPARATOR Heat 7

8 PRODUCCION DISCONTINUA O PROCESO BATCH ETAPAS DE UN PROCESO QUÍMICO MATERIAS PRIMAS REACCIONES QUIMICAS PRODUCTOS Operaciones físicas de acondicionamiento Operaciones físicas de separación 8

9 ESTRUCTURA GENERAL DE UN PROCESO PRODUCTIVO M P Insumos Insumos PRODUCTO PREPARACION PURIFICACION REACCION SEPARACION PURIFICACION Subproductos Subproductos EFLUENTE LIMPIO TRATAMIENTO EFLUENTES PRODUCTOS SECUNDARIOS ESTRUCTURA DE ENTRADA Y DE SALIDA DEL DIAGRAMA DE FLUJOS Reciclo Purga Alimentación Insumos PROCESO PRODUCTIVO Producto Subproductos 9

10 DIAGRAMA GENERAL ENTRADA- SALIDA PROCESO HIDROMETALÚRGICO DEL COBRE insumos energía cátodos de Cu mineral ácido sulfúrico agua Industrial PROCESO soluciones subproductos descartes ripios Esquemas de Procesos Industriales: Flow-Sheets 10

11 Tipos de Representaciones: Diagrama de bloques ( BFD ) Diagrama de Flujo de Procesos ( PFD ) Diagrama de Cañerías e Instrumentación ( P&ID ) Diagrama Isométricos ( cañerías y equipos ) Cursograma analítico (Ing Civil Industrial) Secuencia diseño de un proceso Diagrama de Bloques (BFD) Diagrama de flujos de procesos (PFD) Diagrama de cañerías e instrumentación (P&ID) 11

12 Diagrama de bloques Es un esquema simplificado del proceso donde se representan las principales etapas Diagrama de flujos (flowsheet) Es una representación esquemática del proceso, donde se ilustran sus características esenciales: i) la secuencia en que ocurren las operaciones unitarias. ii) los equipos utilizados para realizar cada operación. iii) los distintos flujos de materia y energía 12

13 Diagrama de bloques 13

14 Convenciones para los Diagramas de Bloques Cada operación se representa por un bloque Las corrientes de flujo principal se representan por líneas flechadas en la dirección del flujo Los flujos van desde la izquierda a la derecha del diagrama Las corrientes gaseosas se incluyen en la parte superior del diagrama, y los líquidos o sólidos hacia la parte inferior separados por densidad. Se incluye la información crítica para entender e proceso Si las líneas se cruzan, las horizontales se mantienen y las verticales se cortan Se incluye un balance de masas y energía simplificado en forma de una tabla. Toluene ( Kg / H ) BFD: Block Flow Diagram Reactor Gas Separator Mixes gas ( 8610 Kg / H ) Benzene ( 8610 Kg / H ) Hydrogen ( 820 Kg / H ) Conversion 75% Toluene Mixes Liquids Still Toluene Reaction : C7H 8 + H2 = C6H6 + CH4 14

15 Convenciones para los Diagramas de Flujos de Procesos Se representan TODOS los equipos junto con su descripción. Cada equipo tiene un número y un nombre Todas las corrientes de proceso tienen un número. Se debe incluir una descripción de las condiciones (temperatura, presión),flujos y composición química ya sea en el diagrama o en un a TABLA adjunta. Se deben representar TODAS las corrientes de servicios( vapor, aire, calefacción, etc.) que se alimentan a cada producto de alimentación. Se deben representar los loops de control básicos que aseguran la estabilidad de las condiciones del proceso durante la operación normal. 15

16 Las corrientes de un proceso Son los flujos de materia que ingresan (alimentación) o salen (producto) de una operación unitaria (o equipo) Suelen estar formadas por varias sustancias o compuestos químicos Pueden estar formadas por más de una fase (por ejemplo sólido en suspensión en un líquido) Una corriente se caracteriza por su composición, su presión y su temperatura Composición de una corriente Se puede describir de distintas maneras: Fracción másica o fracción molar: Fracción másica de A = Masa de A/Masa total Fracción molar de A = Moles de A/Moles totales Las fracciones siempre suman 1 Fracción másica Fracción molar ppm (parte por millon) = fracción x 10 6 Razón de composición: Razón másica = Masa de A/Masa de B Razón molar = Moles de A/Moles de B 16

17 Proceso y operación unitaria Proceso: conjunto o secuencia de operaciones unitarias que modifican una materia prima para transformarla en un producto comercial o insumo. Operación unitaria: etapa de un proceso, donde se realiza una modificación específica de una corriente. Tipos de Operaciones Unitarias Las operaciones unitarias más comunes se producen en Reactores, intercambiadores de Calor, bombas, mezcladores y separadores, y 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 17

18 Cada operación unitaria tiene una fuerza impulsora, un gradiente en alguna propiedad, que da cuenta del mecanismo principal de transferencia: Tipos de operaciones unitarias 1.- Reacción química 2.- Separación o purificación 3.- Cambio de temperatura 4.- Cambio de presión 5.- Cambio de fase 6.- Operaciones mecánicas 18

19 Operaciones de separaciones mecánicas Filtración Evaporación Tamizado Molienda Sedimentación Operaciones transferencia de masa Absorción en columnas Reactores químicos: Continuamente agitados, Tubulares,por lotes, serie de tanques agitados y catalíticos Destilación en columnas Extracción sólido-líquido Extracción líquido-líquido Enfriamiento en torres Secado de bandejas Generación de vapor 19

20 Reactores químicos Reactor continuamente agitado Reactor tubular 20

21 Sedimentación Es una separación de una suspensión por la acción de la gravedad con la obtención de un fluido transparente y una suspensión con mayor proporción de sólidos. Partículas: Pueden ser sólidas o gotas de líquidos. Fluido: Puede ser un líquido o un gas y puede estar en reposo o en movimiento. Aplicaciones: Eliminación de sólidos de aguas residuales. Sedimentación de cristales de un licor madre. Sedimentación de partículas alimenticias. Sedimentación ALIMENTACION LIQUIDO CLARIFICADO LODOS 21

22 Molienda Tamizado Filtrado Filtración es la separación de partículas sólidas a partir de un fluido haciendo pasar el fluido a través de un medio filtrante sobre el que se depositan los sólidos. 22

23 Filtrado Filtros prensa de placas para lodos Conceptos relevantes: Microfiltración continua Análisis del flujo y transmisión de un marcador proteico Obstrucción del filtro. Resistencia de membrana limpia y sucia Caída de presión en la membrana Balance de masa Presión en membrana vs flujo y transmisión de proteínas Efectos de la velocidad axial Destilación La destilación es un proceso en el que una corriente líquida se calienta hasta que se desarrolla una segunda fase de vapor. Ambas fases se ponen en contacto de forma que el vapor ascendente se enriquece en el compuesto más volátil mientras que el líquido se empobrece. 23

24 Columna de destilación Operación continua o por lotes Con o sin reflujo (equipo Armfield UOP3) Extracción Benceno + acetona Agua Benceno (+ acetona) Mezcla Reposo Agua + acetona 24

25 Extracción Líquido - Líquido Proceso químico fundamental, en el que se extrae uno o más componentes de una mezcla de líquidos (equipo Armfield UOP5) Extracción Líquido - Líquido Hidrodinámica de sistemas líquido/líquido Proceso continuo y semi-continuo Eficiencia de extracción Fase continua acuosa u orgánica Evaluación de mezclas Balance de masa 25

26 Extracción Sólido Líquido (Lixiviación) Ejemplos: - Extracción de aceite de semillas oleaginosas - Extracción de azúcar de remolacha Esta operación es similar a la anterior. Pero esta vez el disolvente líquido se utiliza para extraer los solutos de una matriz sólida. Extracción Sólido Líquido Operación continua multietapa Operación por lotes en circuito cerrado por percolación Operación en lazo abierto por percolación Proceso en una, dos y tres etapas Efectos de la temperatura del solvente Efectos del caudal del solvente Efectos del tiempo de procesamiento Optimización económica del proceso Balance de masa 26

27 Torre de enfriamiento El empaquetamiento de la columna divide el agua en pequeñas gotas o delgados films, aumentando la superficie de contacto con el aire El enfriamiento se debe fundamentalmente a la evaporación El caudal de evaporación es normalmente un 5% del caudal del sistema (equipo Armfield UOP6) 27

28 Absorción de gases En esta operación un vapor soluble mezclado con un gas inerte se contacta con un líquido en el que el vapor es más soluble. De esta manera se separa el compuesto de interés. A veces un soluto se recupera de un líquido poniendo éste en contacto con un gas inerte. Este operación, que es inversa a la absorción se llama desorción de gases o stripping. Absorción de gases en columnas rellenas Principios que gobiernan la absorción de gases en columnas rellenas Análisis cuantitativo de gases y líquidos Balance y coeficiente de transferencia de masa Características hidrodinámicas de una columna rellena Punto de carga e inundación (equipo Armfield UOP7) 28

29 Ejemplo: Descontaminación de aire como el lavado de amoníaco de una mezcla amoníaco-aire Secado El secado consiste en separar agua u otro líquido (remoción de solventes orgánicos de sólidos) de un material frecuentemente sólido aunque a veces también líquido El material se seca generalmente de 2 formas distintas: - por conducción a través de una superficie metálica calentada o - exponiéndolo directamente a un gas caliente (generalmente aire). 29

30 Secado Para: Lodos de Plantas de Tratamiento (Capacidad de 200 kg/hr de lodos húmedos con polímero y humedad inicial de 80% ). El secado se produce por la circulación de aire caliente sobre bandejas que contienen material húmedo 30

31 Evaporación Balance de masa y energía Comparación económica de los distintos tipos de evaporador Alimentación directa, inversa y en paralelo Evaporación vs temperatura y presión Efecto de la velocidad de circulación sobre el coeficiente de transferencia de calor Estrategias de control de procesos Evaporación Vapor de disolvente CALOR Disolución Disolución concentrada Vapor de agua Condensado 31

32 Evaporación 32

33 Herramientas matemáticas Resolución de ecuaciones por procedimientos de tanteo Resolución de ecuaciones simultáneas Integración gráfica Diferenciación gráfica Estequiometría y relaciones de composición - Conservación de masa - Relaciones de masa y volúmenes en las reacciones químicas - Relaciones entre masa y volumen para sustancias gaseosas - Empleo de unidades molares en los cálculos - Exceso de reactivos - Grado de conversión 33

34 FIN 34