Presentación Operaciones Unitarias 2

Tecnología Educativa sa
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Introducción a las
Operaciones Unitarias
Segunda Parte
Operaciones Unitarias


Absorción en columnas
Reactores químicos:








Continuamente agitados
Tubulares
Por lotes
Serie de tanques agitados
Catalíticos
Destilación en columnas
Extracción sólido-líquido
Extracción líquido-líquido
Operaciones Unitarias





Enfriamiento en torres
Secado de bandejas
Generación de vapor
Filtración
Evaporación
(cont.)
Absorción de gas en columnas

(equipo Armfield CES)
Las columnas
húmedas pueden
usarse para
determinar los
coeficientes de
transferencia de
masa entre gases y
líquidos, escenciales
en las torres de
absorción
Absorción de gas en columnas húmedas


Se analiza la
absorción del oxígeno
del aire en una
columna húmeda con
agua a la que que se
ha quitado el oxígeno
al burbujear
nitrógeno
Este es un ejemplo de
control de absorción
por film líquido. El
coeficiente de
transferencia de masa
se puede estudiar
para varios caudales
de líquido.
Absorción de gas en columnas

Conceptos relevantes:



Determinación de los coeficientes de
transferencia de masa entre gases y films
líquidos
Relación entre transferencia y caudal
Variación del caudal de oxígeno para
determinar n en:
Sh = f(Sc)1/2 (Ga)1/6 (Re)n
Reactores Químicos

Tipos principales:





Continuamente agitado
Tubular
Por lotes
Serie de tanques agitados
Catalítico
(Serie modular CEX de Armfield)
Reactor continuamente agitado


(equipo Armfield CEX + CEM)
Los reactivos se
agitan
continuamente con
una turbina
Un intercambiador
de calor helicoidal
sumergido permite
ajustar la
temperatura del
sistema
Reactor continuamente agitado

Conceptos relevantes:




Relación entre
conversión y tiempo de
residencia
Velocidad de reacción
Relación entre
temperatura y
velocidad de reacción
Efecto y eficiencia del
mezclado
Reactor tubular

(equipo Armfield CEX + CET)
Los reactivos se hacen
circular por un largo
tubo arrollado en espiral
sobre un tanque
termostatizado,
manteniendo constante
la temperatura de la
reacción en todo el
proceso.
Reactor tubular

Conceptos relevantes:



Relación entre conversión
y tiempo de residencia
Velocidad de reacción
Distribución del tiempo de
residencia
Reactor por lotes


(equipo Armfield CEX + CEB)
Los reactivos se colocan
dentro de un envase
estanco y se agitan con
una hélice.
Un intercambiador de
calor helicoidal se
sumerge en los
reactivos para permitir
agregar o retirar calor
de la reacción.
Reactor por lotes

Conceptos relevantes:



Balance energético y de
masas
Evolución de la
temperatura en la
reacción
Relación entre modo de
reacción y
concentración inicial de
reactivos
Reactor catalítico
(equipo Armfield CEU)
Reactor catalítico
(diagrama de funcional)
Reactor catalítico


En estos reactores se lleva a cabo la
reacción gracias a la intervención de un
catalizador, que puede ser químico u
orgánico
Una reacción típica en estos reactores
es la de inversión del azúcar:

(Sacarosa Glucosa + Fructuosa)
Reactor catalítico

Conceptos relevantes:



Determinación de la cinética transitoria y
estacionaria de un reactor catalítico de columna
rellena
Comparación de resultados entre un catalizador
químico (resina de intercambio catiónico) y uno
biológico
Efecto del tamaño de partícula del catalizador
sobre el módulo de Thiele y el factor de
efectividad
Reactor catalítico

Conceptos relevantes (cont):




Efecto del caudal, temperatura y concentración de
la alimentación sobre el régimen estacionario de
conversión
Uso de trazadores para caracterizar los flujos
dentro del reactor
Técnica de análisis en línea
Caracterización de la precisión del análisis en línea
vs caudal y concentración de la muestra
Columna de destilación


(equipo Armfield UOP3)
Operación
continua o por
lotes
Con o sin reflujo
Columna de destilación

Elementos principales:







Caldera
Columna destiladora con
múltiples placas
Condensador
Válvula de control de
reflujo
Bombas y controles de
circulación
Circuitos de refrigeración
Sistema de control del
proceso (manual o
preferentemente con PC)
Columna de destilación
Eficiencia de la columna vs
velocidad de evaporación
Caída de presión vs velocidad
de evaporación
Columna de destilación
Construcción de McCabe-Thiele
para destilación por lotes con
reflujo al 100% (mezcla de
metilclorohexano con tolueno)
Variación de la composición con un
reflujo de 5 a 1 (mezcla de
metilclorohexano con tolueno)
Columna de destilación

Conceptos relevantes:





Caída de presión a lo largo de la columna como
una función de la velocidad de evaporación
Eficiencia de la columna como función de la
velocidad de evaporación, con reflujo total
Perfiles de temperatura placa-a-placa a lo largo de
toda la columna
Construcción de McCabe-Thiele de la línea de
operación
Destilación con relación de reflujo constante,
variación temporal de la composición del elemento
superior.
Columna de destilación

Conceptos relevantes (cont):





Balance de masa en el sistema
Control manual de la relación de reflujo, por
ejemplo: para obtener un producto superior con
una composición especificada
Comparación de comportamiento con una
columna rellena
Destilación continua, en estado de régimen,
incluyendo perfiles de temperatura y análisis de
McCabe-Thiele
Destilación en condiciones de presión reducida
Columna de destilación

Conceptos relevantes (cont):



Efecto del precalentamiento
Efecto de la ubicación del punto de alimentación
Demostraciones de destilaciones azeotrópicas y
extractivas
Columna de destilación

Conceptos relevantes de control c/PC:





Uso de diagramas mímicos on-line
Preparación/ajuste de la adquisición de datos y
análisis posterior de los datos recogidos, mediante
planilla de cálculos
Destilación por lotes con relación de reflujo
constante
Destilación por lotes con control de la relación de
reflujo a partir de una temperatura de la columna
Destilación continua con control PID del calefactor
de la caldera a partir de una temperatura de la
columna.
Columna de destilación
Destilación por lotes con relación de
reflujo constante
Destilación por lotes controlada por la
temperatura de la bandeja superior
Columna de destilación
Efecto de la reducción de presión sobre
los parámetros de la columna
Efecto del precalentamiento sobre los
parámetros de la columna
Columna de destilación

Conceptos relevantes de control c/PC:



Destilación continua con control de la relación de
reflujo a partir de la temperatura del tope de la
columna.
Destilación continua con control en dos puntos
simultáneos: control de la temperatura de la
caldera y de la relación de reflujo (sistema de
control de 2 lazos)
Ajuste óptimo del controlador para cambios de la
velocidad de alimentación, composición o
temperatura.
Columna de destilación

Conceptos relevantes de control c/PC:


Uso de algoritmos alternativos, generados por el
usuario.
Dinámica de proceso, por ejemplo, supervisión y
control de planta en las secuencias de encendido
y apagado cuando se trabaja de modo continuo
Columna de destilación

Conceptos relevantes de control c/PLC:



Control por PLC del calefactor de la caldera y/o la
relación de reflujo, y funcionamiento de la alarma
Supervisión por PC del funcionamiento de PLC y
controladores PID. Introducción a sistemas de
control distribuidos
Control PID analógico del calefactor de la caldera
a partir de una temperatura de columna
Columna de destilación
Control de la columna con un PLC
Extracción sólido/líquido




(equipo Armfield UOP4)
El núcleo de un sistema de
extracción sólido/líquido es una
celda rotativa de extracción
continua dividida en
compartimentos
La materia prima se carga con un
tornillo sin fin
El material pre-tratado pasa por
tres atomizadores de solvente, uno
por cada etapa del proceso
Los productos disueltos en cada
etapa son almacenados en tres
reservorios separados
Extracción sólido/líquido


La temperatura de cada etapa se
controla con PID
El proceso se efectúa
normalmente a contracorriente
Extracción sólido/líquido
Conductividad vs tiempo en el producto de
una de las etapas
Diagrama simplificado
del núcleo del proceso
Extracción sólido/líquido

Conceptos relevantes:









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
Extracción líquido/líquido

(equipo Armfield UOP5)
Proceso químico
fundamental, en el que
se extrae uno o más
componentes de una
mezcla de líquidos
Extracción líquido/líquido
Columna de extracción
2. Condensador
3. Columna de destilación
4. Caldera
5. Reservorio de producto
final
6. Tanque del solvente
condensado
7. Reservorio de solvente
8. Alimentación de la
columna
9. Recolección de la
columna
10. Bomba de agua
11. Bomba del solvente
1.
Extracción líquido/líquido

Conceptos relevantes:






Hidrodinámica de sistemas líquido/líquido
Proceso continuo y semi-continuo
Eficiencia de extracción
Fase continua acuosa u orgánica
Evaluación de mezclas
Balance de masa
Torre de enfriamiento



(equipo Armfield UOP6)
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
Torre de enfriamiento

Conceptos relevantes:




Patrones de distribución
del agua para diferentes
regímenes de caudal
Régimen transitorio y
estacionario
Cartas psicrométricas y
balance energético
Efectos de la relación
area/volúmen sobre:



Temperatura
Caída de presión
Rendimiento
Absorción de gases en
columnas rellenas

Conceptos relevantes:





(equipo Armfield UOP7)
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
Absorción de gases en
columnas rellenas
Diagrama funcional
Secado en bandejas

(equipo Armfield UOP8)
El secado se
produce por la
circulación de aire
caliente sobre
bandejas que
contienen material
húmedo
Secado en bandejas

Conceptos relevantes:







Regímenes de secado
Analogía entre transferencia de
masa y calor
Secado de sólidos de uso normal
en la industria
Efecto de la velocidad y
temperatura del aire en el secado
Uso de cartas psicrométricas
Balance energético
Balance de masa
Filtración


(equipo Armfield UOP12)
Uno de los
procesos más
importantes de la
industria química
Los filtros más
comunes son de
bastidores y
placas o tubulares
radiales
Filtrado

Conceptos
relevantes:




Diagrama de un filtro de bastidores y placas


Filtración
Optimización
funcional
Ley de Darcy
Resistencia media y
de la torta
Lavado del filtro
Optimización
económica
Filtrado

Conceptos relevantes:






Sistema de filtrado con filtro tubular radial

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
Evaporación



(equipo modular Armfield UOP20)
Extracción de parte de la
humedad de un
compuesto haciéndolo
circular como una película
en contacto con un gas
en una columna
Simple efecto o doble
efecto
Film ascendente o
descendente
Evaporación
Diagrama funcional
Evaporación

Conceptos relevantes:



Efecto simple, columna ascendente



Doble efecto, columnas
descendentes
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
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