Grupo 6- Operaciones Unitarias Y Tipos DE Reactores PDF

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Es un informe de operaciones unitarias empleadas en la industrial, donde contiene, concepto, tipos y aplicaciones en la industria. También los tipos de reactores que se encuentran en laindustria....

Description

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA

OPERACIONES UNITARIAS EN LA INDUSTRIA Y TIPOS DE REACTORES

ASIGNATURA: -

PROCESOS INDUSTRIALES I

AUTORES: -

CUBAS CHAMAYA SAIRA YESSENIA

-

RUIZ MÉNDEZ PIERO SEGUNDO

-

SÁENZ BECERRA SARA MILAGROS

-

VÁSQUEZ POLO NICOLE ALEXANDRA

GRUPO: -

N°06

UNIDAD: -

I

CICLO Y SECCIÓN: -

VII – “B”

Trujillo-Perú 2021

ÍNDICE OPERACIONES UNITARIAS EN LA INDUSTRIA Y TIPOS DE REACTORES............................2 1.

INTRODUCCIÓN......................................................................................................................2

2.

OBJETIVOS................................................................................................................................3

3.

FUNDAMENTO TEÓRICO......................................................................................................3

3.1.

Definición de operación unitaria...............................................................................................3

3.2.

Clasificación de las operaciones unitarias................................................................................3

3.2.1.

Según el tipo de transporte que las gobiernan.........................................................................3

3.2.2.

Según su naturaleza....................................................................................................................4

3.2.3.

Según su régimen de trabajo......................................................................................................5

3.2.4.

Según el fin que persiguen..........................................................................................................5

3.3.

Ejemplos de operaciones unitarias............................................................................................6

3.3.1.

Destilación....................................................................................................................................6

3.3.2.

Secado..........................................................................................................................................9

3.3.3.

Adsorción...................................................................................................................................11

3.3.4.

Evaporación...............................................................................................................................12

3.3.5.

Centrifugación...........................................................................................................................15

3.3.6.

Cristalización ............................................................................................................................18

3.3.7.

Absorción...................................................................................................................................20

3.3.8.

Desorción...................................................................................................................................23

3.3.9.

Filtración....................................................................................................................................24

3.3.10. Extracción líquido-líquido.......................................................................................................28 3.4.

Tipos de reactores.....................................................................................................................30

3.4.1.

Reactores batch o discontinuos................................................................................................31

3.4.2.

Reactores continuos .................................................................................................................32

4.

CONCLUSIONES....................................................................................................................35 5.

REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA........................................................................................................36

OPERACIONES UNITARIAS EN LA INDUSTRIA Y TIPOS DE REACTORES

1. INTRODUCCIÓN

El presente informe de investigación quiere dar a conocer las operaciones unitarias que se desarrollan en la industria, en este se definirá que es una operación unitaria, su clasificación según criterios de transporte, su naturaleza, régimen de trabajo y el fin que persiguen, ejemplos de operaciones unitarias, como destilación, secado, adsorción, evaporación, centrifugación, cristalización, absorción, desorción, desorción, filtración y extracción líquida-líquido, de estos se mencionará los equipos que usan y su aplicación en la industria. Otro punto que se tratará son los tipos de reactores que se encuentran en la industria. Una operación unitaria puede definirse como un área del proceso o un equipo donde se incorporan materiales, insumos o materias primas, es el estudio sistemático de operaciones en sí, es decir operaciones que evidentemente constituyen la trama de la industria y los procesos, se unifica y resulta más sencillo el tratamiento de todos los procesos. (McCabe, Smith, & Harriott, 1998), tiene como objetivo modificar las condiciones de una determinada unidad de masa para conseguir una finalidad. Conocer estas operaciones es importante ya que como estudiantes de ingeniería química y futuros trabajadores en la industria estas son las que transforman la materia prima para ser utilizadas en otros procesos más complejos o se convierten en productos finales. Cuándo hablamos de un reactor decimos que son tanques en donde se producen diversas reacciones químicas, este en un componente esencial para efectuar un cambio químico, para de después obtener un producto final, los equipos que veremos en este informe sirven para transformar una materia prima y convertirlo en un producto final o trabajar en el mismo.

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2. OBJETIVOS

3.



Identificar las operaciones unitarias, los equipos más usados y su uso en la industria.



Conocer los diferentes tipos de reactores.

FUNDAMENTO TEÓRICO 3.1.

Definición de operación unitaria Las operaciones unitarias pueden ser definidas como las piezas que ensambladas forman los complejos industriales y constituyen la base de un estudio ordenado se la ingeniería química. Generalmente en ellas se provocan cambios en el material de partida, que pueden provenir del medio, como las materias primas (aire, agua, madera, minerales) o que pueden tener su origen en los productos obtenidos en otras industrias como la energética. (Muñoz & Maroto, 2013). Cuando se habla de operaciones unitarias básicas, esto se refiera a las operaciones comunes realizadas, basadas en procesos físicos y químicos, que se llevan a cabo en las distintas industrias. Dichas operaciones se centran en el movimiento de materia o flujo, sin que se produzca ningún tipo de reacción química, en un estado llamado estacionario, es decir, donde las propiedades se mantienen constantes en el tiempo. (Machuca & Hervás, 2014)

3.2.

Clasificación de las operaciones unitarias Según Gonzáles (2021) se pueden clasificar según cuatro criterios. 3.2.1. Según el tipo de transporte que las gobiernan

Las operaciones unitarias buscan modificar los materiales de entrada para obtener lo que se quiere en la salida. Según cuál o cuáles de estos tipos de transporte controlen la operación unitaria, éstas se pueden clasificar en: (Gonzáles, 2021) 3.2.1.1.

Operaciones de transferencia de materia

Estas son aquellas en las que hay una transferencia de masa hacia o desde las sustancias involucradas en el proceso. Estas operaciones unitarias incluyen: a. Los procesos de extracción tanto sólido-líquido como líquido-líquido. b. Los procesos de rectificación. 3

c. La absorción y la desabsorción. d. La adsorción y la desorción. e. Operaciones de transferencia de energía Estas operaciones incluyen todos los procesos en los que se transfiere calor hacia o desde el sistema, pero sin que ocurra la pérdida o ganancia de materia. Es decir que solo hay una corriente de entrada y una de salida, pudiendo o no ocurrir un cambio físico. 3.2.1.2.

Operaciones de transferencia de materia y energía

En estas operaciones unitarias se utiliza la transferencia de energía, generalmente en forma de calor, para llevar a cabo la separación o la unión de varias fases, por lo que también ocurre una transferencia de masa. Algunos ejemplos de operaciones con transferencia de materia y energía incluyen: a. La humidificación y la deshumidificación. b. El secado. c. La liofilización. d. La destilación. 3.2.1.3.

Operaciones de transferencia de cantidad de movimiento

Estas operaciones unitarias son las que involucran mover un cuerpo de un lugar a otro sin llevar a cabo ninguna otra transformación. Este tipo de operaciones incluye: a.

La circulación de fluidos.

b.

El transporte de sólidos.

c.

Operaciones complementarias

3.2.2. Según su naturaleza

De acuerdo a este criterio, las operaciones unitarias se pueden clasificar en: (Gonzáles, 2021) 3.2.2.1.

Operaciones unitarias físicas

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Estas operaciones unitarias implican cualquier cambio físico en el que la naturaleza de las sustancias involucradas permanece constante. Es decir, en ellas no ocurren reacciones químicas de ningún tipo. 3.2.2.2.

Operaciones unitarias químicas

Como su nombre lo indica, estas operaciones unitarias involucran la ocurrencia de reacciones químicas que transforman las sustancias químicas de la materia prima en otras sustancias diferentes. Estas operaciones unitarias son la esencia y la razón de ser de la industria química. 3.2.2.3.

Operaciones unitarias biológicas

Son similares a las operaciones unitarias químicas, pero con la única diferencia de que las reacciones químicas las llevan a cabo organismos biológicos vivos tales como bacterias, hongos y levaduras. 3.2.3. Según su régimen de trabajo Se clasifican en: (Gonzáles, 2021) 3.2.3.1.

Operaciones unitarias por lotes

Son aquellas operaciones en las que la producción o la transformación se da en pasos discretos secuenciales. Generalmente se utilizan en plantas pequeñas o cuando se buscan productos finos o de alta pureza. Tanto las operaciones unitarias físicas, como las químicas y las biológicas se pueden llevar a cabo por lotes. En el caso de las operaciones químicas, generalmente involucran el uso de un reactor cerrado dentro del cual se añade la materia prima, se cierra para llevar a cabo la reacción química durante un período preestablecido de tiempo, y luego se abre para retirar los productos. 3.2.3.2.

Operaciones unitarias continuas

Son las que se llevan a cabo de manera ininterrumpida. En estos casos tanto la alimentación de materia prima como la remoción o eliminación del producto se hacen de manera continua y de allí su nombre.

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3.2.4. Según el fin que persiguen Pueden clasificarse en: (Gonzáles, 2021)

3.2.4.1.

Operaciones de combinación

Estas incluyen las operaciones de mezclado de dos o más sustancias o fases para obtener una única fase final lo más homogénea posible. 3.2.4.2.

Operaciones de reacción

Corresponden a las operaciones en las que se llevan a cabo transformaciones químicas. 3.2.4.3.

Operaciones de separación

Generalmente se utilizan para purificar reactivos antes de una reacción, o para separar los productos de los reactivos sin reaccionar, del solvente (o de la humedad) o de cualquier impureza antes del proceso de empaquetado. 3.3.

Ejemplos de operaciones unitarias

3.3.1. Destilación La destilación es un proceso que consiste separar los distintos componentes de una mezcla mediante el calor. Para ello que se calienta esa sustancia, normalmente en estado líquido, para que sus componentes más volátiles pasen a estado gaseoso o de vapor y a continuación volver esos componentes al estado líquido mediante condensación por enfriamiento. (García, 2010). El principal objetivo de la destilación es separar los distintos componentes de una mezcla aprovechando para ello sus distintos grados de volatilidad. Otra función de la destilación es separar los elementos volátiles de los no volátiles de una mezcla. (García, 2010).

Figura 1. Torre de destilación simple.

Fuente: https://sensoricx.com/wp-content/uploads/2018/06/power-plant-4-industrial-2.jpg 3.3.1.1.

Tipos de destilación (Gonzales, 2021)

a. Destilación simple Consiste en una sola etapa de vaporización y una sola condensación. Se usa cuando las diferencias de volatilidad son grandes o cuando uno de los componentes es mucho más volátil que los demás. consiste en una sola etapa de vaporización y una sola condensación. Se usa cuando las diferencias de volatilidad son grandes o cuando uno de los componentes es mucho más volátil que los demás. b. Destilación fraccionada Es una técnica en la que se llevan a cabo muchas destilaciones pequeñas y escalonadas en las que progresivamente se van separando los componentes en distintas fracciones. Se utiliza cuando las presiones de vapor de los componentes son similares. c. Destilación al vacío El vacío disminuye el punto de ebullición de los líquidos por lo que permite destilarlos a una menor temperatura. Esto es deseable cuando hay riesgo de descomposición a temperaturas altas. También sirve para separar mezclas azeotrópicas como algunas mezclas etanol agua. d. Destilación por arrastre de vapor Consiste en burbujear vapor de agua en una mezcla de líquidos en la que uno de ellos es ligeramente volátil e insoluble en agua. El vapor de agua literalmente arrastra al vapor de dicho líquido y al condensar se separan en dos fases. También sirve para destilar líquidos orgánicos inestables térmicamente a una temperatura menor que su punto normal de ebullición.

3.3.1.2. Aplicaciones en la industria a. Destilación de petróleo Consiste en burbujear vapor de agua en una mezcla de líquidos en la que uno de ellos es ligeramente volátil e insoluble en agua. El vapor de agua literalmente arrastra al vapor de dicho líquido y al condensar se separan en dos fases. También sirve para 7

destilar líquidos orgánicos inestables térmicamente a una temperatura menor que su punto normal de ebullición. (Sylvan, 2017) b. Desalinizar agua Algunas de las áreas geográficas del planeta no pueden proporcionar suficiente agua potable como para sostener la vida. El agua potable puede ser suministrada por las plantas de destilación que convierten el agua de mar en agua potable. El proceso de destilación es el mismo, aunque el método de calentamiento usado para alcanzar temperaturas de ebullición puede variar. Las dos fuentes principales para la producción de calor son la electricidad y el gas. Es posible que puedas destilar tu propia agua potable para eliminar sustancias químicas no deseadas, gérmenes y otras impurezas. Sin embargo, el agua destilada ordinaria tendrá un sabor insatisfactorio. (Sylvan, 2017) c. Industria de licores Se separa el etanol de los demás productos de la fermentación de carbohidratos. (Rojas, 2018)

Figura 2. Bebidas alcohólicas.

Fuente: https://www.academia.edu/16428080/DESTILACION_APLICACIONES_INDUST RIALES

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3.3.2. Secado Es una operación unitaria de transferencia de materia en la que el solvente que empapa a un sólido se transfiere por evaporación a la fase gaseosa para ser eliminado, dejando al sólido más seco que antes. El secado se puede llevar a cabo haciendo pasar una corriente del sólido húmedo por un túnel de secado en el que se hace pasar aire seco caliente en contracorriente. En este caso, se trata de un proceso de secado continuo. También se puede llevar a cabo en bandejas que se colocan en gabinetes cerrados por los que se hace pasar aire caliente. En dicho caso estamos en presencia de un secado por lotes. Finalmente, existen también los secadores rotatorios y los secadores por presión, así como la aspersión en una corriente de aire caliente. Esta última se utiliza en algunos casos para la preparación de café instantáneo.

Figura 3.Secadores industriales.

Fuente: https://www.nutecbickley.com/hubfs/imgesp/horno-de-secado-industrial.jpg

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3.3.2.1.

Tipos de secadores

a. Secador rotatorio Un secador rotatorio consta de un cilindro hueco que gira sobre su eje, con una ligera inclinación, para permitir el desliz de los sólidos a secar hacia la boca de salida. Se alimentan por la boca de entrada y por la boca de salida se alimenta el gas caliente, que habrá de secar a contracorriente el sólido que se desliza despacio hacia la salida, a medida que se va secando. El método de calentamiento es por contacto indirecto a través de la pared del cilindro que se calienta por el paso de los gases. Las partículas atraviesan una sección relativamente corta, a medida que se deslizan, mientras su humedad disminuye de la misma manera en que descienden. Evitar y revisar el estancamiento. (Marcelo, 2016)

Figura 4. Secador rotatorio.

Fuente: https://www.academia.edu/30244923/Operaciones_Unitarias_Secadores_

b. Secador de tambor Un secador de tambor consiste en uno o más rodillos metálicos calentados, en cuya superficie exterior una delgada capa de líquido se evapora hasta secar. El sólido seco es retirado de los rodillos a medida que éstos giran muy lento. En la figura se representa un secador de tambor típico; una unidad de doble tambor con alimentación central.

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Figura 5. Secador de tambor.

Fuente: https://www.academia.edu/30244923/Operaciones_Unitarias_Secadores_ 3.3.2.2.

Aplicaciones industriales



En la industria alimentaria



En la obtención de la leche en polvo



Obtención de fruta confitada



Secado de granos de café, y plantas medicinales para la obtención de infusiones.

3.3.3. Adsorción La adsorción es una operación unitaria de transferencia de masa; un proceso por el cual los átomos o moléculas de una sustancia se encuentran en una fase determinada, son retenidas en la superficie de otra sustancia, que se encuentra en una fase diferente. Como resultado de este proceso, se forma una capa de líquido o gas en la superficie de una sustancia sólida o líquida. (Rivas, 2020).

Figura 6. Plantas de adsorción.

Fuente: https://www.wehrle-werk.de/sites/default/files/gallery/018_winnenden_ak_1.jpg

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La adsorción desde una disolución a un sólido ocurre como consecuencia del carácter liofóbico del soluto respecto al disolvente particular, o debido a la afinidad elevada del soluto por el sólido o por una acción combinada de estas dos fuerzas. (Rivas, 2020). 3.3.3.1.

Aplicaciones

Una de las aplicaciones más conocidas de la adsorción en el mundo industrial, es la extracción de aire comprimido. Se consigue haciendo pasar el aire comprimido a través de un lecho de...