Introducción a la ingeniería química, operaciones unitarias y fenómenos de transporte

Ingeniería Química (LQ)

TEMA 1 - INTRODUCCIÓN

Tema 1- 1

1. INTRODUCCIÓN
2. DEFINICIÓN DE LA INGENIERÍA QUÍMICA
3. PROCESO QUÍMICO
4. FORMAS DE OPERACIÓN EN LA INDUSTRIA QUÍMICA
1. Operación Intermitente y Continua
2. Régimen Estacionario y No estacionario
3. Elección del tipo de proceso
5. OPERACIONES UNITARIAS Y FENÓMENOS DE TRANSPORTE
1. Definición
2. Clasificación de las Operaciones Unitarias

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Introducción a la Ingeniería Química

Tema 1- 2

1. INTRODUCCIÓN
2. DEFINICIÓN DE LA INGENIERÍA QUÍMICA

La mayor parte de los productos utilizados en la vida diaria son el resultado de transformaciones industriales que se llevan a cabo en plantas químicas en las que intervienen procesos de naturaleza física y/o química a gran escala. Los plásticos, fertilizantes, insecticidas, productos farmacéuticos, etc., se obtienen siguiendo un esquema general como el mostrado en la Figura 1.1.

Materias Primas Proceso Industrial Productos Manufacturados Mercado Energía Residuos

Figura 1.1 Esquema de un proceso en la industria química

Las materias primas, después de ser sometidas a procesos, generalmente de naturaleza física, sufren una transformación química, seguida, en numerosas ocasiones, por otros procesos fiscos adicionales para la separación de los productos obtenidos. El proceso en su conjunto está, así pues, constituido por varias unidades integradas, y mediante el aporte de energía se obtienen los productos acabados o manufacturados, que tienen como fin satisfacer la demanda del mercado.

Las unidades que intervienen en el proceso pueden ser muy variadas: bombas, cambiadores de calor, torres de destilación, reactores químicos, etc. Estas unidades han de diseñarse para operar generalmente de forma continua, y su operación ha de realizarse de modo que permita una utilización adecuada de las materias primas, con el fin de conseguir los máximos beneficios, para lo cual es imprescindible alcanzar unos costes mínimos. Esta condición de máxima rentabilidad requiere la optimización global del proceso.

En los procesos de fabricación existen además otros dos aspectos de gran importancia: los residuos generados y la seguridad de la planta. El tratamiento de estos residuos es viable mediante procesos más o menos complejos que, necesariamente, han de influir sobre el coste del producto. Este tratamiento es imprescindible en una planta bien diseñada, que se ajuste a los límites de vertido marcados por la legislación medioambiental. La seguridad de la planta es una exigencia derivada del tipo de procesos (en los que intervienen presiones y Ingeniería Química (LQ) Tema 1- 3 temperaturas elevadas) y los productos (tóxicos, corrosivos, explosivos) que forman parte del proceso de fabricación.

La Ingeniería Química se ocupa, por lo tanto, del diseño y operación de las plantas químicas para la transformación de materias primas en productos de mayor aceptación en el mercado, en el contexto energético, económico, de residuos y de seguridad que se ha indicado anteriormente.

El AIChE (Instituto Americano de Ingenieros Químicos) define la Ingeniería Química como: "la aplicación de los principios de las ciencias físicas, la economía y las relaciones humanas a aquellos campos en los que intervienen procesos o equipo de procesos, en los cuales se trata la materia para realizar un cambio de estado, del contenido energético o de composición. Se ocupa de transformar cualquier concepción de laboratorio en un proceso de fabricación, pasando por sucesivas etapas de ensayo, planta piloto y escala industrial".

El análisis o el diseño de un proceso químico a escala industrial requiere el estudio detallado de las distintas etapas del mismo. Para ello es necesario aplicar los conocimientos que suelen englobarse con las denominaciones:

• Balances de materia y energía
• Operaciones Básicas
• Reactores Químicos
• Dinámica y Control de Procesos
• Economía

Para realizar los cálculos de un proceso es necesario disponer previamente de los datos de las corrientes y fases que intervienen. Esto exige la determinación experimental, si es posible, de propiedades termodinámicas y de transporte. Si se producen reacciones químicas en el proceso considerado son además necesarios los datos referentes a la cinética química.

Los balances de materia y energía son, esencialmente, aplicaciones, al proceso químico, de las leyes de conservación de la materia y la energía.

Las operaciones básicas engloban los procesos de naturaleza física que tienen lugar en la planta química y en ellas se produce el transporte de las propiedades materia, energía y cantidad de movimiento. Estas operaciones pueden clasificarse, de acuerdo con el tipo de transporte predominante, en operaciones básicas basadas en el:

• transporte de cantidad de movimiento: flujo de fluidos, filtración, sedimentación, operaciones de clasificación de sólidos, etc.

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Transporte de Energía y Materia

Tema 1- 4

• transporte de energía: transmisión de calor, evaporación.
• transporte de materia: absorción, destilación, extracción con disolventes, humidificación, cristalización, etc.

En el bloque de conocimientos de reactores químicos se estudian los procesos en los que intervienen reacciones químicas, que en ocasiones pueden estar controladas por procesos físicos, como la difusión o la adsorción física. Además de conocer el rendimiento y selectividad de la reacción es necesario seleccionar el tipo de reactor en que llevarla a cabo según la reacción y la naturaleza continua o discontinua del proceso.

La dinámica y control de procesos permite que el funcionamiento del proceso se haga de forma automática, con la menor intervención posible de la regulación manual. Las perturbaciones en un proceso provocan la desviación del mismo del estado estacionario y por ello a de disponerse de un modelo del sistema que permita predecir su respuesta ante una cierta perturbación; este es el objetivo de la dinámica de sistemas. La variable o perturbación, una vez medida, ha de neutralizarse para que el sistema retorne al estado estacionario, consiguiéndose esto con una acción de control sobre el proceso.

La economía del proceso es básica teniendo en cuenta que la etapa final será la comercialización del producto. Si el producto manufacturado no puede venderse de forma que produzca beneficios, el proceso deja de ser rentable. El análisis económico de un proceso en un entorno competitivo ha de ser muy detallado y factores como el análisis de costes de inversión y producción, depreciación, optimización y estrategia en presencia de incertidumbre, han de estudiarse cuidadosamente para lograr el mayor rendimiento.

Proceso Químico

1.2 PROCESO QUÍMICO

Se entiende por proceso químico el conjunto de operaciones químicas y/o físicas encaminadas a la transformación de unas materias iniciales en productos finales diferentes y que tengan mayor aceptación en el mercado. El proceso químico está relacionado con el tratamiento de la materia para efectuar un cambio de estado, de contenido de energía así como cambios de composición, debidos o no a reacciones químicas.

Consideremos el ejemplo de la Figura 1.2, en el que se esquematiza el proceso de obtención de butadieno, una importante materia prima para la manufactura del caucho sintético, según el esquema de reacción:

CAH10 CH2=CH-CH-CH2 +2H2 + butenos (1.1) (butano) + q, catalizador (butadieno)

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Obtención de Butadieno

Tema 1- 5

Recirculación butano + buteno Butano Hidrógeno + hidrocarburos ligeros Butadieno 4 Fuel HORNO REACTOR CAMBIADOR DE CALOR ABSORBEDOR DESORBEDOR EXTRACTOR DESTILADOR A 5 Butano + Butadieno + Subproductos Furfural

Figura 1.2 Proceso de obtención de butadieno

En esta figura se describe la instalación mediante un diagrama de flujo de bloques o rectángulos, en el que cada etapa se representa mediante un rectángulo. Estos rectángulos están unidos mediante flechas que indican el sentido en el que se desplazan los materiales de una a otra etapa. Dentro de cada rectángulo se indica el nombre de la transformación que tiene lugar en dicha etapa.

En este ejemplo concreto, se ha representado una instalación para la obtención de butadieno. El butadieno (C4H6) se puede sintetizar por deshigrogenación de butano a temperaturas elevadas en presencia de un catalizador de óxidos de cromo y aluminio. Como otros productos de reacción se obtienen H2 y butenos.

El butano, que ha sido precalentado hasta unos 540 °℃ se hace pasar a través del reactor, para inmediatamente después, enfriar los productos de la reacción en un intercambiador de calor. La etapa de precalentamiento es necesaria debido a que la reacción es endotérmica, y por lo tanto es necesario aportar calor. El precalentamiento se puede llevar a cabo calentando el butano en un horno y mezclándolo con vapor de agua a 1300 ℃ que actúa simultáneamente como fuente de calor y como diluyente. En el reactor se alcanza un rendimiento del orden del 30% de butano a butadieno. La etapa de enfriamiento es necesaria para evitar posteriores reacciones indeseables (sobre todo polimerizaciones). El producto gaseoso pasa a una torre de absorción, en donde se absorben los productos menos volátiles Tema 1- 6 Ingeniería Química (LQ) (butano, butenos, butadieno) con un hidrocarburo líquido. Los gases no absorbidos (H2 principalmente y productos de cracking) se utilizan como combustible.

El hidrocarburo absorbente se calienta en posteriormente en el desorbedor, donde se vaporizan el butadieno (que es relativamente volátil), los butenos (que son productos intermedios) y el butano que no ha reaccionado. El hidrocarburo no volátil (agente absorbedor) se retorna al absorbedor.

Se tiene ahora una corriente con tres componentes de la que nos interesa obtener el butadieno y recuperar el butano y los butenos. El butadieno se separa de los demás componentes por absorción con furfural. El butano y los butenos no se absorben y se recirculan.

A continuación se debe separar el butadieno del furfural. Aprovechando las notables diferencias entre los puntos de ebullición del furfural y del butadieno, los dos componentes se separan por destilación en una columna de rectificación, de la que salen los productos separados: uno por "cabezas" (el más volátil: el butadieno) y otro por "colas" (el menos volátil: el furfural). El furfural se recircula y el butadieno se aprovecha como producto principal.

La separación del butadieno por absorción con furfural se utiliza debido a que la proximidad de las temperaturas de ebullición de los componentes a separar (1-buteno -6.2℃; butadieno -4.5 ℃; isobutano -6.7 ℃; butano -0.5℃) dificulta su separación directa por destilación.

Inspeccionando el diagrama de flujo observamos que solamente en una de las etapas de fabricación interviene la reacción química. Sin embargo, en todas las etapas del proceso existe un cambio de estado, de composición o de energía.

Por supuesto, esta no es la única posibilidad de concepción de un proceso químico para la obtención de butadieno a partir de butano. Se podría haber escogido otra secuencia de etapas e, incluso, optar por otras formas de separación. La misión del ingeniero químico es escoger, de entre todas las opciones posibles, aquella que conduzca a la obtención del producto de la manera más económica, garantizando al mismo tiempo la seguridad y el menor impacto medioambiental del proceso. Para ello será necesario seleccionar los productos más adecuados, aprovechar al máximo la energía de las corrientes y recircular, siempre que sea posible, algunas corrientes a otras etapas del proceso.

Formas de Operación en la Industria Química

1.3 FORMAS DE OPERACIÓN EN LA INDUSTRIA QUÍMICA

1.3.1 Operación Intermitente y Continua

El volumen de producción de la industria química y la calidad de sus productos aumenta continuamente de forma exponencial. En un principio, este crecimiento se aseguraba