TEMA 2 Ingeniería Química PDF

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Apuntes de Fundamentos de la Ingeniería Química...

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TEMA 2: LAS OPERACIONES UNITARIAS 1. CONCEPTO DE OPERACIONES UNITARIAS Operación unitaria: cada una de las operaciones o etapas individuales con una función específica diferenciada que coordinadas permiten llevar a cabo un proceso químico industrial. Estas operaciones que se repiten en los procesos químicos se basan en principios científicos comunes y tienen técnicas de cálculo semejantes independientemente de la industria. Ejemplos de estas operaciones unitarias son: Filtración, Absorción, Rectificación, Extracción, etc.

PRINCIPIOS:          

Leyes de conservación o cambio de las propiedades extensivas. Ley de Lavoisier (Ley de conservación de la materia) Cantidad de movimiento (Leyes de Newton) Energía (primer principio de la termodinámica) Entropía Leyes de equilibrio de los sistemas fisicoquímicos (segundo principio de la termodinámica) Leyes cinéticas Leyes medioambientales, seguridad e higiene. Leyes estequiométricas Relaciones de estado P, V, T, etc

2. CLASIFICACIÓN DE LAS OPERACIONES UNITARIAS 

OPERACIONES UNITARIAS FÍSICAS: para su diseño hay que conocer las leyes de conservación de la materia, energía y cantidad de movimiento; leyes termodinámicas para equilibrios de fases y leyes cinéticas para la transporte de cantidad de movimiento, transmisión de calor y transferencia de materia.

o Controladas por el transporte de cantidad de movimiento: flujo de fluidos a través de conducciones, a través de lechos y operaciones de separación mecánica. o Controladas por la transmisión de calor: equipos para el calentamiento o enfriamiento de fluidos, para el cambio de fase y para concentrar disoluciones. o Controladas por la transferencia de materia: destilación, adsorción, extracción sólido-líquido y líquido-líquido, intercambio iónico y operaciones de separación con membranas.

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OPERACIONES UNITARIAS QUÍMICAS: reactores químicos. Para su diseño es necesario conocer la velocidad a la que se producirá la reacción así como la influencia de las variables.

3. OPERACIONES CONTINUAS, DISCONTINUAS Y SEMICONTINUAS 

OPERACIONES CONTINUAS: la corriente de entrada se alimenta al equipo sin interrupción y los productos son retirados de igual modo. Trabaja en régimen estacionario: el tiempo no influye sobre los valores de las variables. Las variables son constantes con el tiempo pero no con la posición. El tamaño del equipo vendrá determinado por el caudal de alimentación o el de producto.

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OPERACIONES DISCONTINUAS: también llamada intermitentes o por cargas. Se introduce al principio en el equipo toda la alimentación, se lleva a cabo la reacción y una vez terminada completamente se retira el producto. Trabaja en régimen no estacionario: las variables modifican sus valores con el tiempo. El tamaño del equipo lo determina el tiempo de operación necesario para alcanzar las características deseadas del producto.

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OPERACIONES SEMICONTINUAS: Una de las corrientes entra y sale continuamente del equipo mientras que otras se cargan y descargan de forma discontinua. Trabaja en régimen no estacionario.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS OPERACIONES CONTINUAS RESPECTO A LAS DISCONTINUAS. VENTAJAS Grandes producciones Fácil recuperación o aportación de calor Reducción de la mano de obra (automatización) Eliminación de los tiempos muertos de carga y descarga Mayor uniformidad de productos Mayor producción por unidad de volumen

DESVENTAJAS Es necesario uniformidad de materias primas Hay que adaptar la producción al consumo Necesitan grandes instalaciones para los arranque y paradas (complicados) Equipo de instrumentación y control costosos

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4. CONTACTO ENTRE FASES Gran número de operaciones básicas industriales implican la transferencia de materia, cantidad de movimiento y energía entre dos o más fases. El contacto entre las fases depende tanto de los caudales de transporte de la propiedad como el tipo de aparato: contacto discontinuo, continuo o múltiple. 

CONTACTO DISCONTINUO: se mezclan intensamente dos fases inmiscibles para facilitar la transferencia de materia. Posteriormente se deja que las fases se separen. Si las fases disponen del tiempo suficiente para alcanzar el equilibrio esta se conoce como etapa de equilibrio o etapa ideal. El equipo se evalúa expresando los cambios que se producen en una etapa real como la fracción de lo que se producirían si se alcanza el equilibrio: eficacia o rendimiento.

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CONTACTO DISCONTINUO MÚLTIPLE: hay más de una etapa de contacto. Esto permite un mayor transporte de propiedad. Los cálculos para establecer el tamaño del equipo se efectúa a partir de las relaciones estequiométricas y de equilibrio del sistema.

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CONTACTO CONTINUO: las fases están en permanente contacto, no existiendo etapas de contacto diferenciadas. La variable para el diseño del equipo es la velocidad con la que se produce el transporte de propiedad por unidad de superficie o de volumen. Los equipos de contacto más usados son las columnas de relleno. El objetivo del relleno es favorecer la transferencia entre las fases proporcionando la máxima superficie de contacto.

FLUJO EN PARALELO, CONTRACORRIENTE Y CRUZADO En muchas operaciones básicas se ponen en contacto tanto continuo como discontinuo, dos corrientes con el objetivo de que se produzca entre las mismas el transporte de una o varias propiedades extensivas, materia, energía o cantidad de movimiento y reacción química. 

FLUJO EN PARALELO: las corrientes se mueven en la misma dirección. El transporte máximo de propiedad que puede producirse está limitado por las condiciones de equilibrio termodinámico a la salida. Es similar a una única etapa de equilibrio.

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FLUJO EN CONTRACORRIENTE: Las corrientes se mueven en la misma dirección pero sentidos opuestos. Será posible alcanzar mayores transportes de propiedad, independientemente del contacto. La operación es equivalente a varias etapas ideales.

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FLUJO CRUZADO: Las corrientes se mueven en direcciones diferentes perpendicularmente entre sí. Se usa en algunos cambiadores de calor.

5. MÉTODOS DE TRABAJO EN LAS OPERACIONES BÁSICAS    

RÉGIMEN: Estacionario; No estacionario OPERACIÓN: Continua; Discontinua; Semicontinua FLUJO: En contracorriente; En paralelo; Cruzado CONTACO ENTRE FASES: Continuo (relleno); Por etapas.

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