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1. Tecnología Educativa sawww.tecnoedu.com Introducción a las Operaciones Unitarias Segunda Parte

2. 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

3. Operaciones Unitarias (cont.) • Enfriamiento en torres • Secado de bandejas • Generación de vapor • Filtración • Evaporación

4. Absorción de gas en columnas • Las columnas húmedas pueden usarse para determinar los coeficientes de transferencia de masa entre gases y líquidos, escenciales en las torres de absorción (equipo Armfield CES)

5. 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.

6. 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

7. Reactores Químicos • Tipos principales: • Continuamente agitado • Tubular • Por lotes • Serie de tanques agitados • Catalítico (Serie modular CEX de Armfield)

8. Reactor continuamente agitado • Los reactivos se agitan continuamente con una turbina • Un intercambiador de calor helicoidal sumergido permite ajustar la temperatura del sistema (equipo Armfield CEX + CEM)

9. 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

10. Reactor tubular • 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. (equipo Armfield CEX + CET)

11. Reactor tubular • Conceptos relevantes: • Relación entre conversión y tiempo de residencia • Velocidad de reacción • Distribución del tiempo de residencia

12. Reactor por lotes • 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. (equipo Armfield CEX + CEB)

13. 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

14. Reactor catalítico (equipo Armfield CEU)

15. Reactor catalítico (diagrama de funcional)

16. 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)

17. 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

18. 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

19. Columna de destilación • Operación continua o por lotes • Con o sin reflujo (equipo Armfield UOP3)

20. 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)

21. Columna de destilación Eficiencia de la columna vs velocidad de evaporación Caída de presión vs velocidad de evaporación

22. 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)

23. 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.

24. 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

25. Columna de destilación • Conceptos relevantes (cont): • Efecto del precalentamiento • Efecto de la ubicación del punto de alimentación • Demostraciones de destilaciones azeotrópicas y extractivas

26. 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.

27. Columna de destilación Destilación por lotes con relación de reflujo constante Destilación por lotes controlada por la temperatura de la bandeja superior

28. Columna de destilación Efecto de la reducción de presión sobre los parámetros de la columna Efecto del precalentamiento sobre los parámetros de la columna

29. 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.

30. 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

31. 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

32. Columna de destilación Control de la columna con un PLC

33. Extracción sólido/líquido • 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 (equipo Armfield UOP4)

34. Extracción sólido/líquido • La temperatura de cada etapa se controla con PID • El proceso se efectúa normalmente a contracorriente

35. Extracción sólido/líquido Diagrama simplificado del núcleo del proceso Conductividad vs tiempo en el producto de una de las etapas

36. 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

37. Extracción líquido/líquido • Proceso químico fundamental, en el que se extrae uno o más componentes de una mezcla de líquidos (equipo Armfield UOP5)

38. Extracción líquido/líquido • Columna de extracción • Condensador • Columna de destilación • Caldera • Reservorio de producto final • Tanque del solvente condensado • Reservorio de solvente • Alimentación de la columna • Recolección de la columna • Bomba de agua • Bomba del solvente

39. 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

40. Torre de enfriamiento • 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 (equipo Armfield UOP6)

41. 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

42. Absorción de gases en columnas rellenas • Conceptos relevantes: • 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 (equipo Armfield UOP7)

43. Absorción de gases en columnas rellenas Diagrama funcional

44. Secado en bandejas • El secado se produce por la circulación de aire caliente sobre bandejas que contienen material húmedo (equipo Armfield UOP8)

45. 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

46. Filtración • Uno de los procesos más importantes de la industria química • Los filtros más comunes son de bastidores y placas o tubulares radiales (equipo Armfield UOP12)

47. Filtrado • Conceptos relevantes: • Filtración • Optimización funcional • Ley de Darcy • Resistencia media y de la torta • Lavado del filtro • Optimización económica Diagrama de un filtro de bastidores y placas

48. Filtrado • Conceptos relevantes: • 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 Sistema de filtrado con filtro tubular radial

49. Evaporación • 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 (equipo modular Armfield UOP20)

50. Evaporación Diagrama funcional