Repasamos cuáles son las Operaciones Unitarias clásicas, cuáles son los conceptos más relevantes a tener en cuenta de cada una y las ilustramos con fotografías y diagramas mímicos de equipos que son capaces de llevarlas a cabo.

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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
Caída de presión vs velocidad
de evaporación
Eficiencia de la columna 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
1. 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

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

51. Evaporación
 Conceptos relevantes:
 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
Efecto simple, columna ascendente
Doble efecto, columnas
descendentes

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