Instructor: Ing.José Manuel García Pantigozo
[email protected] 1 OBJETIVOS ESPECIFICOS DE APRENDIZAJE después de este tema, usted podrá: Definir una operación. Definir una operación industrial. Identificar y analizar las principales operaciones productivas de la industria nacional. 2 Definición de Operación 3 El uso más general de la palabra nos permite referir la realización del algo OPERACIÓN 4 Definición de Operación Industrial 5 Producción de bienes sin cambio químico en la estructura molecular de la materia. OPERACIÓN INDUSTRIAL 6 Operaciones Unitarias 7 Una operación unitaria puede definirse como un área del proceso o un equipo donde se incorporan materiales, insumos o materias primas y ocurre una función determinada, son actividades básicas que forman parte del proceso. CLASIFICACION DE LAS OPERACIONES UNITARIAS Operaciones de Transferencia de momento Operaciones de Transferencia de calor Operaciones de Transferencia de masa Operaciones de Transporte de calor y masa Operaciones de Transporte de cantidad de movimiento Operaciones Físicas complementarias. Principales Operaciones Industriales 10 11 ADSORCIÓN EN TORRE EMPACADA ADSORCIÓN • Es una operación de transferencia de masa. Comprende el contacto de líquidos o gases con sólidos donde hay una separación de componentes de una mezcla líquida o gaseosa por adherencia a la superficie del sólido. Es decir, se explota la capacidad especial de ciertos sólidos para hacer que sustancias específicas de una solución se concentren en su superficie. • Los equipos empleados en operaciones continuas son las torres empacadas o con lecho fijo, en donde ocurre el contacto de la mezcla de líquidos con el adsorbente en el lecho, a través de mallas que impiden el paso de partículas del sólido adsorbente. ABSORCION VS ADSORCION 15 DIFERENCIA ABSORCIÓN ADSORCIÓN Elimina uno o varios componentes de corriente Elimina de forma individual los componentes de una gaseosa utilizando un disolvente. mezcla gaseosa o liquida. Recupera un componente gaseoso deseado. El componente a separar se liga de forma física o química a una superficie solida. Recupera un liquido, por ejemplo : la producción de HCl El componente eliminado de la mezcla liquida o gaseoso en agua. gaseosa puede ser el producto deseado. Por ejemplo depuración de gases residuales. Cuando son tres componentes: componente gaseoso a El solido recibe el nombre de adsorbente y el separar(adsorbato) el gas portador y el disolvente componente que se adsorbe se denomina adsorbato. (absorbente). Presiones altas y temperaturas bajas. Temperaturas altas y presiones bajas. Para la regeneración de el disolvente la absorción va Para la regeneración del adsorbente se puede utilizar: seguida de una etapa de desorción. vapor de agua o gas inerte caliente. DIFERENCIA 19 20 TORRE DE ABSORCIÓN ADSORCIÓN • Es una operación unitaria ampliamente utilizada en la industria química para la purificación de corrientes gaseosas. En la absorción, uno o varios de los gases presentes en una corriente gaseosa se disuelven en un líquido llamado absorbente. En la operación inversa, un gas disuelto en un líquido se remueve de éste poniendo la corriente en contacto con un gas inerte. Esta operación se llama desorción. ADSORCIÓN • Los equipos más empleados son torres cilíndricas, que pueden ser: de relleno o empacadas de etapas Las torres de relleno son columnas cilíndricas verticales, las cuales están rellenas con pequeñas piezas llamadas empaque. Estas piezas sirven para aumentar el área de contacto entre la fase gaseosa y la líquida, lo cual facilita la absorción. ABSORCIÓN EN TORRE EMPACADA ABSORCIÓN EN TORRE DE ETAPAS Las torres de etapas son columnas cilíndricas que contienen en su interior una serie de platos perforados o con campanas de burbujeo que permiten el contacto íntimo de las fases líquida y gaseosa. Los residuos que se generan en esta operación unitaria, son lodos que se sedimentan en el fondo de las torres al paso del tiempo, al igual que líquidos con componentes absorbidos . • En química, la adsorción de una sustancia es su acumulación en una determinada superficie interfacial entre dos fases. El resultado es la formación de una película líquida o gaseosa en la superficie de un cuerpo sólido o líquido. TIPOS DE ADSORVENTES • Entre los adsorbentes más habituales se encuentran las arcillas, alúminas, sílices, los carbones activados y las zeolitas. Aunque los que representan casi un 80% del mercado de valores actualmente son los dos últimos: carbones activos y zeolitas. CARBON ACTIVADO ZEOLITAS TIPOS DE ADSORCION (atracción entre un soluto y un solvente) • Adsorción por intercambio. Los iones de la sustancia se concentran en una superficie como resultado de la atracción electrostática en los lugares cargados de la superficie. • Adsorción física. Es debido a las fuerzas de Van del Waals y la molécula adsorbida no está fija en un lugar específico de la superficie, sino está libre de trasladarse en la interface. • Adsorción química. El adsorbato forma enlaces fuertes en los centros activos del adsorbente. TERMODINAMICA DE LA ADSORCION La adsorción es el proceso mediante el cual un sólido poroso (a nivel microscópico) es capaz de retener partículas de un fluido en su superficie tras entrar en contacto con éste. El adsorbente dispone de nanoporos, lo que se conoce como centros activos, en los que las fuerzas de enlace entre los átomos no están saturadas. Estos centros activos admiten que se instalen moléculas de naturaleza distinta a la suya, procedentes de un gas en contacto con su superficie. La adsorción es un proceso exotérmico y se produce por tanto de manera espontánea si el adsorbente no se encuentra saturado. APLICACIONES ABSORCIÓN ADSORCIÓN Separación de los líquidos contenidos en el Extracción de gas natural (plantas petroquímicas) comprimido. humedad del aire Eliminación de SO2 (centrales térmicas) Purificación de agua Fabricación de ácido sulfúrico. Tratamiento de aguas residuales Depuración del gas de síntesis Eliminar los óxidos de nitrógeno Obtención de nitrógeno Deshumidificación de gasolinas Fabricación de ácido nítrico Quitar olores, sabores o colores no deseados por ejemplo en aceites, jarabes de azúcar Eliminación de amoniaco en agua El secado de aire TIPOS DE DISPOSITIVOS PARA ADSORVENTES CARBONES ACTIVOS • Es un material de carbono que presenta una estructura porosa y elevada área superficial, es un carbonizado que se ha sometido a reacción con gases o productos químicos, durante o después del proceso de carbonización con el objeto de aumentar su porosidad. EQUIPO ADSORCION DE CARBON ACTIVADO EQUIPO ADSORCION DE CARBON ACTIVADO Los equipos de adsorción con carbón activado son unidades compactas para controlar olores no deseados y componentes orgánicos volátiles que se desprenden en una gran variedad de orígenes. • Ventajas : – – – – – – – – Fácil instalación Efectivo para gran variedad de emisiones Tratamiento en continuo Carbón intercambiable Bajo coste Ligero, fácilmente trasladable Resistente a la corrosión Flexibilidad ZEOLITAS • Son sólidos tridimensionales, micro porosos, cristalinos y con estructura muy bien definida que contienen aluminio, silicio y oxígeno en una red regular. Su estructura presenta poros y canales de tamaño totalmente uniforme, dotando al material de propiedades de tamiz molecular. CRITERIOS DE SELECCION ABSORCION ADSORCION La solubilidad del gas debe ser elevada, a Capacidad : la cantidad de adsorbente fin de aumentar la rapidez de la absorción y necesario para una adsorción por unidad de disminuir la cantidad requerida de masa del adsorbente disolvente. Volatilidad. El disolvente debe tener una Selectividad se relaciona con la capacidad, presión baja de vapor la selectividad del adsorbente es buena o mala, mucha o poca. Corrosión. Los materiales de construcción Eficiencia de regeneración que se necesitan para el equipo no deben ser raros o costosos. Viscosidad. Se prefiere la viscosidad baja La temperatura: Cuanto más baja sea la debido a la rapidez en la absorción temperatura, mejor será la capacidad de adsorción. Misceláneos. Si es posible, el disolvente no debe ser tóxico, ni inflamable, debe ser estable químicamente y tener un punto bajo de congelamiento Tipo de compuesto que desee ser eliminado. por ejemplo compuestos con elevado peso molecular y baja solubilidad se absorben más fácilmente. EQUIPOS En las máquinas de adsorción, a diferencia de las de absorción, en vez de un absorbente líquido se utiliza uno sólido. El ciclo de funcionamiento no es continuo, tiene una fase de carga y una de descarga. El COP de estas máquinas se encuentra entre 0,50 y 0,70. ABSORCION VS ADSORCION 43 DIFERENCIA ABSORCIÓN ADSORCIÓN Elimina uno o varios componentes de corriente Elimina de forma individual los componentes de una gaseosa utilizando un disolvente. mezcla gaseosa o liquida. Recupera un componente gaseoso deseado. El componente a separar se liga de forma física o química a una superficie solida. Recupera un liquido, por ejemplo : la producción de HCl El componente eliminado de la mezcla liquida o gaseoso en agua. gaseosa puede ser el producto deseado. Por ejemplo depuración de gases residuales. Cuando son tres componentes: componente gaseoso a El solido recibe el nombre de adsorbente y el separar(adsorbato) el gas portador y el disolvente componente que se adsorbe se denomina adsorbato. (absorbente). Presiones altas y temperaturas bajas. Temperaturas altas y presiones bajas. Para la regeneración de el disolvente la absorción va Para la regeneración del adsorbente se puede utilizar: seguida de una etapa de desorción. vapor de agua o gas inerte caliente. DIFERENCIA MOLIENDA, TAMIZADO Y MEZCLADO 47 MOLINO DE QUIJADA MOLINO DE CONO MOLINO DE MARTILLOS MOLINOS DE IMPACTO MOLINOS DE BOLAS TAMIZADO TAMIZADO-ROTAP TAMICES OPERACIONES DE TRANSPORTE DE CANTIDAD DE MOVIMIENTO 57 FLOTACION FLOTACION FILTRACION FILTRACION SEDIMENTACION ALIMENTO LIQUIDO CLARIFICADO LODOS ESQUEMA DE UN SEDIMENTADOR OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MASA & CALOR 64 EVAPORACION Vapor de disolvente CALOR ALIMENTO Disolución concentrada Vapor de agua Condensado ESQUEMA DE UN EVAPORADOR SUBLIMACION OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MASA 71 EXTRACCION Benceno + acetona Agua Benceno (+ acetona) Reposo Mezcla Agua + acetona SISTEMA DE EXTRACCIÓN DESTILACION ESQUEMA DE DESTILACION ABSORCION Y ADSORCION ADSORCION TRANSMISIÓN DEL CALOR TRANSMISIÓN DEL CALOR CONDUCCIÓN: transferencia de energía desde cada porción de materia a la materia adyacente por contacto directo, sin intercambio, mezcla o flujo de cualquier material. CONVECCIÓN: transferencia de energía mediante la mezcla íntima de distintas partes del material: se produce mezclado e intercambio de materia. RADIACIÓN: transferencia de energía mediada por ondas electromagnéticas, emanadas por los cuerpos calientes y absorbidas por los cuerpos fríos. 79 HUMIDIFICACION/ENFRIAMIENTO Aire húmedo Agua caliente agua ( calor Aire seco Agua fría PROCESO DE HUMIDIFACION/ENFRIAMIENTO HUMIDIFICACION/ DESHUMIDIFICACION AIRE ACONDICIONADO MOVIMIENTO DE MASA BOMBAS DESPLAZAMIENTO POSITIVO PRESION LIMITE 82 MOVIMIENTO DE MASA COMPRESORAS 83 MOVIMIENTO DE MASA VENTILADORES Principales Operaciones Mecánicas 85 TORNO 86 FRESADORA TALADRO 87