ESCUELA MIL ESCUEL MILIT ITA AR DE INGEN INGENIERI IERIA A CARRERA CA RRERA DE INGENIERIA INGENIERIA AMB MBIENT IENTA AL
MATERIA: OPERACIONES UNIT UNITARIAS ARIAS BASICAS DE INGENIERIA AMBIENTAL SIGLA: AMB -05227 DOCENTE: PATRICIA A. RAIMONDI M. UNIDAD 1 TRANSFORMACIONES FISICAS Y QUIMICAS EN LA INDUSTRIA TEMA 1 OPERACIONES UNITARIAS Y PROCESOS
Unidad Didáctica Nº 1 COD.
CRITERIO DE DESEMPEÑO 1
a.16.1 a.16.1 Analiz Analizaa proce procesos sos y opera operacio cione ness que se llevan evan a cabo cabo en las las difere diferente ntess ind indus ustritrias; as; explic explic operaciones físicas (operaciones unitarias) y químicas (reactores químicos). Nº
1
UNIDAD DIDÁCTICA
Nº
1.1. TRANSFORMACIONES 1.2. FÍSICAS Y QUÍMICAS 1.3. EN LA INDUSTRIA 1.4. 1.5.
CONTENIDO ANALÍTICO
Introducción a los procesos. Procesos y operaciones. operaciones. Operaciones Operaciones físicas. Transformaciones Transformaciones químicas Flow charts.
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¿Que son las operaciones unitarias? •
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Corresponden a una serie de etapas individuales y diferentes que se encuentran insertas en procesos químicos, físicos y biológicos estas operaciones unitarias son comunes a todos los tipos de procesos. Las operaciones unitarias estudian principalmente la transferencia de masa, movimiento y los cambios de energía que se llevan a cabo por medios físicos pero también por medios físicos químicos.
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Operaciones Unitarias •
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Esta tra tr ansfor ns formación mación puede realiza realizarse rse de disti dis tintas ntas formas: modif icando l a masa masa o composi ción del del cuerpo primario pri mario ya sea mezclándo mezclándolo, lo, separándol separándol o o haciéndolo reaccionar químicamente; mod ifi cando la calidad de la energía modifi energía que qu e posee po see el el cuerpo en cuestión cu estión,, ya sea por enfriamiento , vaporización, aumento de presión; modif icando la l as co ndici ndiciones ones relativas relativas a la cinética del cuerpo primario, pri mario, ya sea aumentando o disminuyendo dism inuyendo su velocidad o modificando modi ficando la dirección dir ección que tiene en el el espacio.
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Operaciones unitarias •
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De hecho, los cambios mencionados son los únicos cambios posibles que un cuerpo puede experimentar. Un cuerpo está absolutamente definido cuando están especificadas: la cantidad de materia y su composición; la energía total (cualquiera que sea el tipo de energía) de que el cuerpo esté dotado; las componentes de dirección y velocidad de que está animado.
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Operaciones Unitarias •
Lo descrito está basado experimentalmente y soportado matemáticamente por las leyes de la conservación: 8 1 0 2 / 8 / 2
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Las operaciones unitarias son comunes en los procesos industriales, sean químicos, físicos o biológicos y se refieren a las etapas individuales y diferenciables entre sí, en que pueden ser divididos tales procesos.
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Operaciones Unitarias •
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PROCESO Cualquier operación o serie de operaciones que provocan un cambio físico o químico a una sustancia o mezcla de sustancias. Proceso conjunto de actividades entrelazadas e interrrelacionadas que reciben determinados insumos (entradas) que son tr ansformadas en un resultado (salida) o en un producto.
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PROCESO •
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Un proceso esta conformado por varias etapas o subprocesos, mientras que los insumos i ncluyen sustancias, materiales, product os o equipos. El material que entra en un proceso se denomi na alimentación o material de entrada el que sale se denomina prod ucto material de salida RECURSOS PRODUCTO
PROCESO ENTRADAS (IN PUT)
CONJUNTO DE ACTIVIDADES MUTUAMENTE RELACIONADAS
O QUE INTERACTUAN …
VALOR AGREGADO
SALIDAS (OUT PUT)
PROCESOS
PROCESO: CASI TODAS LAS ACTIVIDADES Y OPERACIONES RELACIONADAS CON UN PRODUCTO SON PROCESOS
A MENUDO LA SALIDA DE UN PROCESO SE CONVIERTE EN LA ENTRADA DEL SIGUIENTE PROCESO
VARIABLES DE PROCESO •
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Variables de entrada (input) del proceso Son las que definen las condiciones de operación del proceso e influyen las variables de control y las que aunque no son controladas , influyen en el desempeño del mismo. Variables de salida (out put) del proceso Son características de calidad las que reflejan los resultados obtenidos en un proceso.
VARIABLES DE PROCESO Las “salidas” de un proceso pueden ser “entradas” para otros
posteriores. Entrada
Proceso 1
Salida / Entrada
Proceso 2
Salida
Las “entradas” y “salidas” de los procesos pueden ser: - Tangibles: materias primas, materiales, componentes, … - Intangibles: energía, información, … Las “salidas” pueden ser también: - Intencionales: productos o servicios en diferentes fases de elaboración o prestación. - “ No intencionales”: desechos, contaminantes , …
PRODUCTO •
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Los productos son bienes tangibles que poseen un as características que les son propi as q ue satisfacen las necesidades de los consumidores a los qu e van . Los prod uctos s on habitualmente la consecuencia de un proceso de fabricación por el cual ciertos materiales o materias primas se transforman en un producto f inal. El producto inc luye los medios de acondicion amiento, embalajes e i nstrum entos de protecció n, que permiten su transporte y distribución desde el centro de fabricació n hasta el cons umido r o usuario final. Un produc to está defini do desde el pu nto de vista de la calidad por su s especificaciones.
Especificaciones de producto •
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Las especificaciones son las características de un producto. Estas características no se limitan únicamente al producto en sí, sino que deben incluir aspectos del servicio e, incluso, los relativos al proceso de fabricación del proveedor. La especificación técnica de un producto es un documento interno que recoge información básica del mismo. También se llama ficha técnica. En ella se recogen datos claves de forma clara y concisa, y de las características técnicas del producto en concreto. Las fichas técnicas son un documento de la empresa, en principio, de uso únicamente interno, aunque pueden ser muy útiles para otros en algunos momentos (clientes, auditores,…).
PREPARACIÓN DE LAS PASTAS CERÁMICAS MOLTURACIÓN POR VÍA HÚMEDA Y SECADO DE LA COMPOSICIÓN POR ATOMIZACIÓN ESTE PROCEDIMIENTO SE HA IMPUESTO TOTALMENTE EN LA FABRICACIÓN DE PAVIMENTOS Y REVESTIMIENTOS CERÁMICOS POR MONOCOCCIÓN, COMO CONSECUENCIA DE LAS IMPORTANTES MEJORAS TÉCNICAS QUE SUPONE
Proceso de fabricación con molturación por vía húmeda y secado de la composición por atomización
Proceso industrial de fabricación de mermelada Inicio Materias primas piña, azucar y aditivos
Actividad
Actividad
Actividad
Actividad
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Operación unitaria física evaporación
Actividad Fin producto final mermelada de piña
Actividad
Operación unitaria física
Actividad
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Símbolos usados para representar equipos 8 1 0 2 / 8 / 2 . M i d n o m i a R . A a i c i r t a P . g n I
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Operaciones Unitarias •
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De este modo para la clasificación de las operaciones unitarias se atiende a la propiedad que predomina en una transformación. En base a ello la clasificación se hace en dos grandes grupos: - Operaciones unitarias físicas. - Operaciones unitarias químicas.
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Operaciones Unitarias y Procesos unitarios •
Son llamadas Operaciones Unitarias las operaciones físicas realizadas para producir estos cambios ,tales como transmisión de calor, flujo de fluidos, destilación, etc.
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Operaciones Físicas •
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En todas las operaciones unitarias hay en común el concepto de fuerza impulsora. La cantidad de la propiedad transferida por unidad de tiempo y superficie es igual a la fuerza impulsora partido de la resistencia. Vamos a estudiar la fuerza impulsora para los tres tipos de propiedades. Materia: La fuerza impulsora es igual a las diferencias de concentraciones, presiones... en el seno del fluido que estemos estudiando. Energía: La fuerza impulsora se da cuando existe una diferencia de temperaturas en el seno de la masa. Cantidad de movimiento: La fuerza impulsora es la diferencia de velocidades que existe entre dos zonas del fluido.
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Clasificación de las operaciones Unitarias •
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CLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS. Las operaciones unitarias son de naturaleza física. Se pueden dividir en 5 grandes grupos: 1.- Flujo de fluidos. (transporte fluido ) Operaciones Unitarias OconTojo Vol I 2.- Transmisión de calor. (transferencia de calor) Operaciones Unitarias OconTojo Vol I 3.- Mezclado. (no hay en el texto base)
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Clasificación Operaciones Unitarias 4. Separación: 4.1 Destil ación Operaciones Unitarias OconTojo Vol I 4.2 Extracción liquido - liquido y Extracción solido – liquido (Operaciones Unitarias OconTojo Vol II) 4.3 Absorci ón y Adsorci ón ( Operaciones Unitarias OconTojo Vol II) 4.4 Evaporación Operaciones Unitarias OconTojo Vol I 4.5 Cristali zació n (no hay en el libro ) 4.6 Humidificación Operaciones Unitarias OconTojo Vol I 4.7 Secado Operaciones Unitarias OconTojo Vol II 4.8 Filtración Operaciones Unitarias OconTojo Vol II 4.9 Centrifugación (no hay en el texto base) 5. Manejo de sóli dos: Compresión, mol ienda, tamizado y flui dización. 5.1 Comprensión no hay en el texto b ase) 5.2 Molienda , no hay en el texto b ase) 5.3 Tamizado y no hay en el texto b ase) 5.4 Fluidi zación. Flujo de fluido a través d e lechos poros os Unitarias
OconTojo Vol II
No hay una clara divisi ón entre algunas o peracion es.
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Operaciones Unitarias •
1. MEZCLADO. Mezcla de dos o mas componentes cuyas propiedades varían al ser modificadas sus proporciones. 8 1 0 2 / 8 / 2 . M i d n o m i a R . A a i c i r t a P . g n I
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Operaciones Unitarias 2.DESTILACION. - Separación de los componentes de una mezcla liquida por vaporización de la misma. Al calentar primero se desprenden los componentes más volátiles y va quedando un residuo liquido constituido por las sustancias de punto de ebullición mas alto. 8 1 0 2 / 8 / 2 . M i d n o m i a R . A a i c i r t a P . g n I
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Operaciones Unitarias •
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3. EXTRACCION. -Operación química básica de separación de sustancias disueltas en liquidas. Está basada en la disolución de uno o varios componentes de una mezcla en un disolvente selectivo. La mezcla puede ser líquida o sólida: - Extracción líquido-líquido: Se requiere que los dos líquidos que se ponen en contacto sean inmiscibles. - Extracción sólido-líquido: también llamada lavado, lixiviación, percolación... Si pretendemos un componente no deseado de un sólido se denomina lavado. Lixiviación se emplea cuando se desea extraer un componente valioso. Percolación se emplea para indicar que existe el vertido de un líquido sobre un sólido.
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Operaciones Unitarias •
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4. ABSORCION Es una operación unitaria regida por transferencias de materia que consiste en poner en contacto un gas con un líquido con el objetivo de que en él se disuelva alguno de los componentes del gas.
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Operaciones Unitarias •
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4.1 ADSORCION Operación unitaria física regida por la transferencia de materia. Consiste en la eliminación de algún componente de una fase fluida mediante un sólido que lo retiene. El fluido puede ser un líquido o un gas. La adsorción es un fenómeno de superficie. En la superficie del sólido se dan interacciones que hacen que las moléculas del fluido queden retenidas. Si son retenidas mediante un enlace químico fuerte se denomina quimisorción. Si son retenidas mediante una interacción débil se denomina fisisorción. El fenómeno contrario a la adsorción se denomina desorción.
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Operaciones Unitarias •
5.EVAPORACION. - Paso de una sustancia del estado liquido al de vapor, a una temperatura inferior a la de ebullición y tiene lugar solo en la superficie del liquido además de que se produce en forma gradual. 8 1 0 2 / 8 / 2 . M i d n o m i a R . A a i c i r t a P . g n I
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Operaciones Unitarias •
6. CRISTALIZACION. - Proceso físico por el cual un cuerpo adquiere la estructura cristalina. Puede realizarse por sublimación por fusión y posteriormente por enfriamiento de la masa fundida o por evaporación gradual del disolvente en una solución saturada.
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Operaciones Unitarias • •
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7.HUMIDIFICACION La humidificación como una operación unitaria en la cual se da una transferencia simultánea de materia y calor sin la presencia de una fuente de calor externa, tiene lugar cuando un gas se pone en contacto con un líquido puro, en el cual es prácticamente insoluble. Este fenómeno nos conduce a diferentes aplicaciones además de la humidificación del gas, como son su deshumidificación, el enfriamiento del gas (acondicionamiento de gases), el enfriamiento del líquido, además de permitir la medición del contenido de vapor en el gas. Generalmente la fase líquida es el agua, y la fase gas el aire. Su principal aplicación industrial es el enfriamiento de agua de refrigeración. Humidificador es un aparato que sirve para aumentar la humedad del ambiente
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Operaciones Unitarias 8. SECADO Constituye uno de los métodos que permite separar un líquido de un sólido. Entendiéndose por secado la separación de la humedad de los sólidos (o de los líquidos) por evaporación en una corriente gaseosa.
Operaciones Unitarias Mapa conceptual Secado Conceptos Básicos: Humedad (X): base húmedo y base seca Humedad de equilibrio (X*) Solidos húmedo y Solido higroscópico Humedad libre (X – X*): dos tipos agua ligada y agua no ligada Cinética del secado
Constituye uno de los métodos que permite separar un líquido de un sólido.
SECADO
Equipos: Secadores de Calentamiento Directo Secadores calentamiento indirecto
Aplicaciones: Secado de semillas oleaginosas, conservación de productos, reducción de volumen
Tipos de secado: Secado directo: continuo por lotes Secado indirecto: continuo por lotes
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OPERACIONES UNITARIAS 9. FILTRACION. -Separación de las partículas sólidas en suspensión en un fluido, mediante el paso forzados de este a través de un medio filtrante o membrana sobre la cual depositan los sólidos.
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Operaciones Unitarias •
10.CENTRIFUGACION. - Procedimiento de separación de líquidos mezclados o de partículas sólidas en suspensión en un liquido por efecto de una fuerza centrifuga.
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Operaciones Unitarias •
11 COMPRENSION. -La Reducción de Tamaño es la operación unitaria en la que el tamaño medio de los alimentos sólidos es reducido por la aplicación de fuerzas de impacto, compresión, cizalla (abrasión) y/o cortado. La compresión se usa para reducir sólidos duros a tamaños más o menos grandes. El impacto produce tamaños gruesos, medianos y finos, la frotación o cizalla, produce partículas finas y el cortado se usa para obtener tamaños prefijados.
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Operaciones Unitarias 12 TAMIZADO. Procedimiento que permite separar partículas sólidas de distintos tamaños, habiendo pasar la mezcla por un tamiz. Un tamiz no es más que una malla que deja entre sus hilos una “luz” constante y conocida. La operación de tamización se efectúa manual o mecánicamente. En realidad, procedimientos como éste tienen un valor relativo, pero determinado, dentro de sus límites de error más o menos grandes; es decir, nunca se consigue del todo una ión definiti del terial.
Operaciones Unitarias •
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Se conocen con el nombre de Procesos Unitarios a los cambios químicos que ocurren en el reactor o reacciones químicas como: oxidación, nitración, polimerización, reducción, esterificación, etc., Operaciones unitarias químicas La fuerza impulsora hay que considerarla en relación al aspecto termodinámico (lo que nos indica el avance de la reacción es energía Gibb G<0). En relación con el aspecto cinético, la velocidad de la reacción química depende de la temperatura y de las concentraciones de los reactivos.
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Procesos Unitarios CLASIFICACIÓN DE LOS PROCESOS UNITARIOS. Son aquellos que requieren de una o más operaciones, en las que ocurren transformaciones químicas. Los procesos unitarios están clasificados de acuerdo con el tipo de reacción química involucrada. En 1945, en su texto "The Chemical Process Industries" el profesor R. N. Shreve clasificó los principales procesos unitarios de la siguiente manera: 13. Halogenación 1.Combustión 14. Sulfonación 2.Oxidación 15. Hidrólisis 3.Neutralización 16. Hidrogenación 4.Formación de silicatos 17. Alquilación 5.Caustización 18. Reacción de Friedeí-Crafts 6.Electrólisis grupo 1 grupo 3 7.Doble descomposición 19. Condensación 8.Calcinación 20. Polimerización 9.Nitración 21. Fermentación 10.Esterificación 22. Diasotización y acoplamiento 11.Reducción 23. Pirólisis 12.Amonólisis grupo 2 24. Aromatización 25. Isomerización grupo 4
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Transformaciones químicas •
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CAMBIOS FÍSICOS Y CAMBIOS QUÍMICOS Todas las sustancias pueden transformarse y pasar de un estado inicial a otro final si se las somete a determinadas condiciones. Por ejemplo, si se calienta suficientemente un cazo con agua, el agua se transforma en vapor de agua. Si dejamos destapada una botella con vino, al cabo de un tiempo el vino se transforma en vinagre. Las transformaciones que sufren las sustancias pueden ser de dos tipos: transformaciones físicas y transformaciones químicas. El agua líquida, al calentarse, cambia a vapor de agua pero sigue siendo agua, aunque en diferente estado. Si disolvemos sal en agua, la sal está disuelta pero sigue conservando sus propiedades y su identidad química
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Transformaciones químicas •
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Las transformaciones químicas se llaman también reacciones químicas. Es muy importante el estudio de las reacciones químicas; en ellas se basa gran parte del avance técnico e industrial de nuestra sociedad. En las transformaciones químicas, las sustancias iniciales se transforman en otras sustancias finales diferentes.
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Transformaciones químicas • •
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¿Cómo sabemos cuándo se ha producido una reacción química? Cuando se produce una reacción química suelen producirse algunos indicios típicos: - Cambio de coloración: Indica la aparición de una o de varias sustancias nuevas distintas a las iniciales. - Aparición de sedimento o precipitado: Es señal de que una o algunas de las sustancias nuevas formadas son insolubles. - Desprendimiento de gas: Como resultado de la reacción aparece una nueva sustancia que se presenta en estado gaseoso a temperatura ambiente. - Absorción o liberación de calor: Los cambios espontáneos de temperatura de la mezcla revelan que se está produciendo una reacción. - Cambios en otras propiedades: La acidez, el olor, la aparición de propiedades ópticas frente a la luz, propiedades magnéticas o eléctricas, etc.
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