CAMBIO FÍSICO: Es una modificación en un cuerpo que no

CONCEPTOS BÁSICOS DE LOS PROCESOS INDUSTRIALES DE
TRANSFORMACIÓN
A las modificaciones o cambios que experimentan las substancias bajo la acción de las
diferentes formas de la energía, se les llama fenómenos. De esta manera, todo cambio
que se produce en las substancias de manera natural o provocada es también un
fenómeno.
Al determinar las propiedades de las sustancias puras vamos a observar ciertos cambios
o transformaciones de una forma a otra por las que atraviesan estos materiales. Estos
cambios se dividen en físicos y químicos.
Fenómeno físico.
Es una modificación en un cuerpo que no afecta a la esencia o naturaleza de la materia
de que esta constituido. Así cortar un papel con unas tijeras, estirar una goma son
simples cambios físicos como lo es también un cambio de estado sea fundir hielo . Puede
darse un cambio en la forma del cuerpo al estirarse, romperse o como en la plastilina
cambiar de forma pero la sustancia permanece en el fondo como al principio pues
seguimos teniendo plastilina.
Estos fenómenos desaparecen al cesar la causa que los origina, en su mayoría son
fenómenos reversibles.
Otros fenómenos físicos son el desplazamiento de un vehículo, el paso de la electricidad
por los cables, la dilatación de un cuerpo al ser calentado, el paso de la luz a través de los
cristales de una ventana o de una lente, etcétera.
Fenómeno químico
Es aquel en el cual se da un cambio en la sustancia que teníamos, de manera que
desaparecen unas (reactivos) y aparecen otras (productos) .Los átomos siguen estando
ahí solo que se organizan en distintas entidades y cada entidad según su estructura y
geometría acaba teniendo sus propiedades particulares. La nueva sustancia puede
coincidir en algunas propiedades, no tiene que cambiarlas todas pero al cambiar alguna
ya reconocemos que estamos ante una sustancia nueva.
Ejemplos:
Mientras Respiramos
a- Tomamos oxígeno que cambia su volumen
FENÓMENO
FÍSICO
b- el oxigeno se combina con alimentos
QUÍMICO
c- el dióxido de carbono formado se disuelve en la sangre y de ahí pasa al
FÍSICO
aire que exhalamos
d- el dióxido en el aire se combina con agua dando ácido carbónico
QUÍMICO
En la cocina
FENÓMENO
a- Se calienta la leche al fuego
FÍSICO
b- se evapora parte del agua que lleva
FÍSICO
c-el cazo de leche se dilata un poco
FÍSICO
d-nos hemos pasado y la leche se ha carbonizado ahora vemos el carbono
QUÍMICO
negro
e-enfriamos el cazo, disolvemos la suciedad limpiando el cazo
FÍSICO
El propio hecho de amanecer implica muchos cambios físicos, al darse un proceso de
iluminación de la materia, ondas que circulan y se reflejan, movimiento y cambio de
volumen y forma en las nubes. Comienza a darse un calentamiento progresivo de la
superficie de la tierra y mas lento de las masas de agua comienza a evaporarse el rocío
que hay sobre las florecillas y a fundir alguna escarcha, éstas gotas si pueden se
derraman cambiando de forma y volumen. Todos estos fenómenos son cambios físicos.
Cuando comemos estamos segregando sustancias que junto al alimentos serán
protagonistas de reacciones químicas muy diversas en nuestro cuerpo y que finalizaran
con la formación de nuevas sustancias algunas que nos servirán de almacén energético y
otras que constituirán nuestro cuerpo otras las habremos eliminado pero todas son
sustancias que intervinieron en cambios químicos de unas sustancias o agrupaciones en
otras. 1
Tres palabras a conocer antes de hablar de una reacción química.
MEZCLA: en una mezcla se pueden agregar 2, 3 ó más sustancias; en cantidades indefinidas; no se
produce ningún cambio de energía.
Al final de cualquier mezcla seguiremos teniendo las sustancias que agregamos y en las mismas
cantidades, no tendremos nada nuevo.
Ejemplos: una ensalada, es una mezcla; el aire, es una mezcla de gases; sal disuelta en agua, es
una mezcla (porque no se formó nada nuevo, se sigue teniendo agua y sal, que se puede separar,
utilizando los medios adecuados); agua y aceite, es una mezcla (tanto como la anterior).
COMBINACIÓN: Es un fenómeno químico, y a partir de dos o más sustancias se puede
obtener otra (u otras) con propiedades diferentes. Para que tenga lugar, debemos agregar
las sustancias a combinar en cantidades perfectamente definidas, y para producirse
efectivamente la combinación se necesitará liberar o absorber calor (intercambio de
energía).
Ejemplos: una cierta cantidad de cobre reaccionará con el oxígeno del aire cuando se le
acerque la llama de un mechero, entonces se combinan el cobre y oxígeno, gracias a la
energía proporcionada por el calor de la llama del mechero.
DESCOMPOSICIÓN: Es un fenómeno químico, y a partir de una sustancia compuesta
(formada por 2 ó más átomos), puedo obtener 2 ó más sustancias con diferentes
propiedades.
Ejemplos: al calentar óxido de mercurio, puedo obtener oxígeno y mercurio; puedo hacer
reaccionar el dicromato de amonio para obtener nitrógeno, óxido crómico y agua.
1
QUÍMICA GENERAL APLICADA, L. POSTIGO, EDITORIAL RAMON SOPENA, S.A., PAG. 9,10
COMBINACIÓN
S
azufre
+
Fe
hierro
---------->
calor
FeS
sulfuro
hierro
Para que sea posible la
de reacción química entre el S
y el Fe es fundamental
entregarles calor.
DESCOMPOSICIÓN
(NH4)2Cr2O7 s
dicromato
amonio
--------->
de calor
N2 g
nitrógeno
+
4 H2O l
agua
+
Cr2O3 s
óxido
crómico
Operaciones Unitarias.
Sería prácticamente imposible estudiar el número casi infinito de procesos químicos que
se llevan a cabo en la industria diariamente, si no hubiera un punto en común a todos
ellos. Afortunadamente, esta conexión existe. Cualquier proceso que se pueda diseñar
consta de una serie de operaciones físicas y químicas que, en algunos casos son
específicas del proceso considerado, pero en otros, son operaciones comunes e iguales
para varios procesos.
Un proceso industrial esta constituido por una serie coordinada de operaciones
individuales que deben ser analizadas y comprendidas en si mismas. Estas son las
“operaciones unitarias” cuyo carácter es físico y que se diferencian de otras ramas de la
ingeniería porque se aplican en procesos donde es necesario el conocimiento de la
química para comprender su significado real.
Estas operaciones unitarias implican principalmente la separación de mezclas, pues los
productos de una reacción química se obtienen como mezclas y el paso o los pasos
siguientes, tal vez mas importantes que la reacción misma, consiste en separar los
componentes de esas mezclas y dejar un producto al estado puro o bajo ciertas
especificaciones.
La teoría de las operaciones unitarias está basada en leyes bien definidas y
comprendidas, pero su interpretación práctica solo se puede hacer con el equipo o
maquinaria en donde se lleva a cabo cierta operación unitaria.
Las principales operaciones unitarias son: transporte de fluidos, transferencia de calor,
mezclado, trituración, evaporación, filtración, cristalización, decantación, flotación,
centrifugación, destilación , extracción con solventes, absorción, secado y tamizado.
EJEMPLOS.
 TRANSPORTE DE FLUIDOS.
El transporte de materiales en forma fluida es mucho mas conveniente y económico que
el transporte de sólidos, por lo que siempre que sea posible, los materiales se moverán
en forma de líquidos o soluciones. El ingeniero químico utiliza para tal fin las tuberías
cerradas. Las tuberías se fabrican con cualquier clase de materiales y para objetos
especiales.
Las tuberías de materiales férricos son las más ampliamente utilizadas. Una tubería
queda especificada por su diámetro y espesor de pared. Los accesorios que se utilizan
en las conducciones son para unir tramos de tubería, cambiar la dirección de la línea,
cambiar su diámetro, conectar diferentes ramas o cerrar el final de la línea. Tanto las
tuberías como los accesorios deben pasar pruebas de resistencia y de presión. Ejemplos
de accesorios son : las válvulas, los codos, las bridas, las reducciones, las tees, etc.
Las bombas son elementos muy importantes para mover los fluidos y las hay de varios
tipos.
 TRANSMISIÓN DE CALOR.
Prácticamente todas las operaciones que se efectúan en ingeniería química implican la
producción o absorción de calor.
El calor puede transmitirse por uno o mas de los tres mecanismos que se conocen:
conducción, convección y radiación.
Cuando se desea evitar perdidas de calor en una tubería, se cubre esta con un aislante (
por ejemplo, el asbesto ).
El problema de calentamiento más corriente que se presenta en las plantas químicas, es
el de transmisión de calor desde un fluido a otro a través de una pared metálica. Los
fluidos que intervienen pueden ser: los dos líquidos, los dos gaseosos o un liquido y otro
gaseoso.
El tipo mas importante de equipo para transmisión de calor es el cambiador de calor de
tubos y la carcasa. Por ejemplo para calentar un líquido que va por el interior de los tubos,
se emplea vapor de agua que va por el exterior de los tubos, es decir, por el interior de la
carcasa; cuando el vapor transmite su calor, existe condensación.
La caldera con que cuenta el laboratorio de Operaciones Unitarias de la Universidad
Rafael Landívar es un equipo piró tubular marca Cleaver Brooks, modelo CB100-15. La
caldera es del tipo "Caldera Empacada", proporciona 15 HP, y consume diesel como
combustible.
El aire para la combustión ingresa por la admisión. Luego, el ventilador fuerza al aire a
través de un damper graduable y el difusor hasta la cámara de combustión. El tubo para
la llama principal, o cámara de combustión principal constituye el primer paso de la
caldera. Por deflexión, se logra que los gases regresen al frente de la caldera únicamente
a través del segundo paso; al final de éste, nuevamente un deflector hace que los gases
de combustión lleguen hasta la parte trasera de la caldera únicamente por el tercer paso.
Finalmente, los gases de combustión alcanzan el escape a través del cuarto paso. De
esta forma, el calor de los gases de escape es aprovechado al máximo.
Clasificación de las operaciones unitarias:
Cada operación unitaria tiene como objetivo el modificar las condiciones de una
determinada cantidad de materia en forma más útil a nuestros fines. Este cambio puede
hacerse principalmente por tres caminos:
1.- Modificando su masa o composición (separación de fases, mezcla,...)
2.-Modificando el nivel o calidad de la energía que posee (enfriamiento, evaporización,
aumento de presión, ..)
3.- Modificando sus condiciones de movimiento (aumentando o disminuyendo su
velocidad o su dirección).
Estos tres son los únicos cambios posibles que un cuerpo puede sufrir. De acuerdo con
estas ideas, normalmente se clasifican las operaciones unitarias en función de la
propiedad -materia, energía o cantidad de movimiento- que se transfiere en la operación o
la que sea más relevante. Debe notarse que en cualquier operación, por lo común se
transferirá simultáneamente materia, energía y cantidad de movimiento, pues las dos
últimas propiedades están asociadas a la materia, por el hecho de existir.
No obstante, la operación no vendrá controlada necesariamente por las tres
transferencias, sino sólo por una o, a lo sumo, por dos. De acuerdo con el criterio de cuál
es la transferencia más relevante, las operaciones unitarias se clasifican en:
1.- operaciones de transferencia de materia
2.- operaciones de transmisión de energía
3.- operaciones de transmisión simultánea de materia y energía
4.- operaciones de transporte de cantidad de movimiento
Torres de absorción
(a escala industrial)
Procesos unitarios.
A diferencia de las operaciones unitarias donde se presentan fenómenos físicos, los
procesos unitarios son propiamente reacciones químicas, es decir, transformaciones de
las sustancias en cuanto a su naturaleza íntima.
Una reacción química a escala industrial se hace en un recipiente llamado reactor, el cual
puede tener diferente capacidad, diferente material de construcción, puede ser continuo o
discontinuo, dependiendo del proceso mismo. En el reactor se alimentan las materias
primas, se establecen las condiciones de operación y se obtiene el producto.
Después de obtenerse el producto o mezcla de productos y subproductos, se procede a
su separación aplicando las operaciones unitarias.
Ejemplos de procesos unitarios o químicos básicos son :
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Hidrólisis.
Calcinación.
Neutralización.
Oxidación.
Isomerización.
Síntesis.
Degradación.
Combustión.
Saponificación.
Fermentación.
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Catálisis.
Pirolisis.
Deshidratación.
Sulfhidración.
Sulfonación.
Electrolisis.
Halogenación.
Alquilación.
Diazotación.
Hidrogenación.
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Descomposición.
Hidratación.
Precipitación
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Nitración.
Reducción.
Polimerización.
EJEMPLO.
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ELECTROLISIS.
Fenómeno estudiado por Faraday y consiste en la descomposición de una sustancia por
el paso de la corriente eléctrica.
En un proceso electrolítico ocurre una transformación de energía eléctrica en energía
química.
Una celda electrolítica contiene dos conductores llamados electrodos y un electrolito
fundido o en solución acuosa y se opera mediante el paso de una corriente eléctrica
directa. Faraday estableció que los iones que se formaban por acción de la corriente, se
dirigían hacia el polo de signo contrario.
Los iones positivos o cationes se dirigen al electrodo negativo o cátodo, donde aceptan
electrones (reducción) y los iones negativos se dirigen al polo positivo (ánodo), al que
ceden electrones (oxidación); los electrones se dirigen a la batería y al cátodo
completando así el circuito.
Las aplicaciones mas importantes de la electrolisis son aquellas por medio de las cuales
se obtienen ciertas sustancias elementales como sodio, potasio, calcio, magnesio,
aluminio, cloro, fluor, oxigeno, hidrógeno, etc. A partir de las materias primas naturales.
Con frecuencia en la industria se suelen utilizar procesos electroquímicos para obtener
elementos o compuestos importantes, entre los que tenemos los metales alcalinos, los
cuales se obtienen generalmente por electrolisis de sus cloruros fundidos.
El elemento de mayor importancia practica es el sodio, el cual comúnmente se obtiene en
una celda que consta de una caja de acero recubierta con ladrillos refractarios, de un
ánodo de grafito y de un cátodo anular de hierro, entre los cuales se encuentra una malla
metálica. El cloruro de sodio fundido, al que por lo general se le adiciona carbonato de
sodio ( Na2 CO3 ) para disminuir su punto de fusión se coloca en una caja de acero. Al
pasar la corriente eléctrica, el sodio fundido se deposita en el cátodo y se recoge en
recipientes cerrados. El cloro se acumula en el ánodo, de donde se extrae por
conducción:
2 Na Cl
_
corriente e
Na2 CO3
2 Na ° + Cl 2
cátodo
ánodo
CONCLUSIONES
Los fenómenos físicos constituyen un ciclo reversible, es decir, el estado final es
idéntico al inicial, en tanto que los fenómenos químicos constituyen un proceso
irreversible por que el estado final del cuerpo o sustancia no es idéntico al del
cuerpo primitivo.
En cuanto a las operaciones unitarias podemos decir que no es algo muy
complicado ya que esta dirigido principalmente para la separación de mezclas y
poder obtener productos puros.
El proceso unitario es algo mas complejo ya que intervienen reacciones químicas
y métodos mas sofisticados para poder obtener alguna sustancia o un producto.
BIBLIOGRAFÍA.

QUÍMICA GENERAL APLICADA
L. Postigo.
EDITORIAL RAMON SOPENA, S.A.
PAG. 9,10

FUNDAMENTOS DE QUÍMICA 1, 3 Y 4.
Glafira Ángeles Ocampo.
Froylan Favila Gutiérrez
PULICACIONES CULTURAL.
Pág. 16, 17} tomo 1.
Pág. 85, 89 y 90} tomo 3.
Pág. 17, 18, 26, 27} tomo 4.