¡Descarga Operaciones unitarias en Ingeniería Química: Concepto, Clasificación e Importancia y más Apuntes en PDF de Química solo en Docsity!
Cedillo Cobos Página 3
UNIDAD I INTRODUCCION A LAS OPERACIONES UNITARIAS
Generalidades.
1.1.1 Concepto de operación unitaria 1.1.2 Clasificación de las operaciones unitarias 1.1.3 Importancia de las operaciones unitarias en la industria farmacéutica 1.2 Sistemas de Unidades y análisis dimensional 1.2.1 Sistemas internacionales y sistema inglés de ingeniería 1.3 Elementos de balances de masa y energía 1.3.1 Determinación de propiedades físicas, químicas y termodinámicas de materiales de proceso 1.3.2 Utilización de los diagramas termodinámicos 1.3.3 Balance de masa 1.3.4 Balance de energía 1.3.5 Balances combinados de masa y energía 1.4 Problemas de aplicación.
1.1 Generalidades
Antes del siglo XVIII la industria química se había desarrollado sin la ayuda de los químicos o de la ciencia química de la época. Con el desarrollo de la química en los siglos XVIII y XIX aparecieron cada vez más sustancias, descubiertas o sintetizadas por los químicos, algunas de los cuales prometían superar con creces las propiedades de los productos naturales o al menos mejorarlos. La superficie del norte de Europa se llenó de pronto de fábricas malolientes que producían productos desconocidos. Para la construcción y operación de esas plantas no se podía contar con la tradición, así que se tuvo que empezar desde cero utilizando los conocimientos del químico industrial y del ingeniero mecánico para el diseño y operación de las mismas. Pero como el ingeniero mecánico no tiene conocimientos de química y los químicos no los tienen de mecánica ni de los procesos o gran escala, el método resultaba oneroso por los tanteos y el entrenamiento que se debía dar a esas personas para que trabajaran juntos. Desde luego no era tanto que impidiera el gran desarrollo de la industria química alemana, inglesa y francesa. En las universidades se preparaban cada vez más químicos que aportaban con sus estudios, el ya amplio mundo de la química y en los tecnológicos se preparaban a los químicos industriales que manejarían las nacientes fábricas. A aquellos profesionistas se les enseñaba, además de la química de su época, los procesos químicos más comunes, así como la maquinaria de más amplio uso. El perfeccionamiento de aquella maquinaria se debía y lenguas modernas. Como el curso era en realidad una mezcla de química con ingeniería no prosperó. En 1887 Georges Edwards Davis, quien era consultor e inspector de la industria de los álcalis, dictó una serie de conferencias en la Escuela Técnica de Manchester sobre la tecnología química. En vez de describir los procesos de la química industrial contemporánea, Davis analizaba el comportamiento de ellos como una serie de sencillas operaciones. De hecho fue el primero en considerar los procesos de manufactura química como la secuencia y combinación de un pequeño número de operaciones. Después de la publicación de varios de sus ponencias de l887 en la revista Chemical trade journal que él fundó, Davis abandonó sus publicaciones en 1901, año en que salió a la luz su Manual de
Introducción a las operaciones unitarias Página 4
ingeniería química, en el cual se daba un curso completo sobre el tema. Posteriormente, en 1904 apareció una segunda edición ampliada, la cual tenía más de mil páginas. El libro de Davis, con el que se inició la enseñanza de la ingeniería química, ha sido un clásico empírico del tema. Pero pese a los esfuerzos de Davis y otros hombres, el concepto de ingeniería química no tuvo buena acogida en Europa, pero sí en los Estados Unidos. Los primeros cursos de ingeniería química se impartieron en el Instituto Tecnológico de Massachussets, MIT, en 1888, en Penn en 1892, en Tulane en 1894 y en la Universidad de Michigan en 1898. A esos cursos asistieron una serie de jovencitos que soñaban ser lo que otros no habían sido antes: "ingenieros químicos'. El Plan de Estudios de los primeros ingenieros químicos incluía el estudio de la química, la física, las matemáticas, la ingeniería mecánica, la electricidad, el dibujo, etcétera, pero no había ninguna materia que tratara sobre ingeniería química. Se impartían, si, algunos cursos relacionados con los procesos químicos en boga y otros cursos en los que se describía el tipo de equipos más usados. Los textos más populares de aquellos tiempos estaban relacionados con la química industrial e incluían los libros de F.H. Thorp (1898), Allan Rogers (1902), H.K. Benson (1913), E.R. Riegel (1928), W.T. Reed (1937), y R. Norris Shreve (1950). Por aquella época se descubrió también la necesidad de hacer cálculos precisos de la materia y la energía que tomaba parte en los procesos químicos. Estos cálculos van más allá de la simple estequiometria, que se enseñaba en las clases de química, ya que incluyen las complejidades de las reacciones simultáneas, consecutivas y reversibles junto con los procesos de reciclado, purga, derivación y acumulación. Se requería precisión y habilidad para medir las corrientes, y caracterizarlas desde el punto de vista de la composición, entalpía y gasto. Entre los primeros libros que se utilizaron para solventar este problema están: Metallurgícal Calculations de J.W Richards (1906), Industrial Stoichiometry de W.K. Lewis y A.H. Radasch (1926) y Industrial Chemical Calculations de O.A. Hougen y K.M. Watson (1931).
Aparición de las operaciones unitarias
Al crecer la industria química y salir los primeros egresados se descubrió la futilidad de impartir el conocimiento a través del método descriptivo y se hizo más hincapié en las técnicas del estudio de las Operaciones unitarias. Este concepto, se le debe a Arthur D. Little, precisa que se tienen que estudiar las operaciones comunes en muchos procesos, por ejemplo, flujo de fluidos, transferencia de calor, destilación etcétera, pues él dijo que: Cualquier proceso químico, llevado a la escala que sea, puede ser reducido a una serie coordinada de lo que llamamos operaciones unitarias, como pulverización, mezclado, calentamiento, calcinación, absorción, condensación, lixiviación, precipitación, cristalización, filtración, disolución, electrólisis, etc. El número de estas operaciones básicas no es muy grande y, relativamente pocas de ellos participan en un proceso particular. La complejidad de la ingeniería química se debe a la variedad de condiciones de temperaturas, presión, etc.; bajo las cuales deben llevarse a cabo las acciones unitarias en diferentes procesos, y de las limitaciones en cuanto a materiales de construcción y diseño de aparatos, que son impuestos por el carácter físico y químico de las sustancias reaccionantes.*
Estas manipulaciones tienen como característica el que los materiales no sufren cambios químicos, aunque sí físicos, como cambios de estado, concentración, presión y temperatura. La idea subyacente, tras este concepto de operaciones unitarias, era que si se creaban especialistas en cada una de ellas se podían después conjuntar las habilidades de ellos para diseñar un proceso nuevo. La aparición del concepto de operaciones unitarias permitió que la ingeniería química se fuera transformando poco a poco en un todo coherente y dejara de ser una simple mezcla de química con ingenie- ría química. Los ingenieros químicos probaron ser un elemento importantísimo en el diseño, construcción y manejo de las plantas relacionadas con la química; por ello la carrera Arthur D. Little se extendió por todo el mundo.
Introducción a las operaciones unitarias Página 6
esto último también fue propiciado por el uso de las computadoras que permiten a través de los programas escritos en disquetes efectuar los cálculos necesarios para el diseño de la mayoría de los equipos usados en la industria química y de aún crear los planos requeridos.
Concepto de operación unitaria
Se ha vendió manejando el término de “proceso”, pero ¿qué es? Un proceso es una serie de etapas o pasos que se llevan a cabo en forma ordenada para llegar a un fin determinado. En el universo existen un sinfín de procesos desde la manera de prepar aruna taza de café, hasta el proceso de la vida; pero también existen una gran variedad de procesos en la industria farmacéutica, química, alimenticia, bioquímica, etc.
Clasificación de los procesos.
Los procesos se pueden clasificar en base a su dependencia con el tiempo, en:
Proceso en estado estacionario, constante o permanente, aquel cuyo estado (variables) no cambian con el tiempo.
Proceso en régimen transitorio (estado no estacionario) aquel cuyo estado varia con el tiempo, haciendo que los valores de las variables involucradas presenten cambios significativos en su dinámica
Proceso en régimen transitorio
Proceso en estado estacionario
Cedillo Cobos Página 7
Basándose en la manera en que es diseñado para llevar a cabo sus operaciones, los procesos pueden clasificarse como:
Proceso continuo , por lotes ó discontinuo y semicontinuo
Como ya se menciono con anterioridad, los procesos están constituidos por una serie de etapas consecutivas e individuales, cuyos principios o fundamentos son independientes del material que se procesa ó de las características del sistema. Estas etapas se conocen como operaciones unitarias. De tal forma que aún tratándose de diferentes industrias, como la farmacéutica, bioquímica y de productos químicos orgánicos sintéticos, se emplean las mismas operaciones unitarias en los procesos de fabricación; no obstante la industria farmacéutica destaca por la mayor diversidad, la menor escala y la especificidad de sus aplicaciones. Ahora bien, cuando se habla de un proceso unitario, se refiere a una parte del proceso o equipo donde se llevan a cabo varias operaciones unitarias, por ejemplo un reactor.
Cedillo Cobos Página 9
ejemplo dos corrientes pero saliendo una. Un ejemplo común es el calentamiento de una corriente con inyección directa de vapor de agua. En este caso, entra la corriente a calentar (corriente fría), entra el vapor (corriente caliente) y sale un corriente formada por agua tibia. El vapor cedió energía, el agua fría la tomó, ambas corrientes se mezclaron y se obtuvo agua caliente. El calentamiento indirecto es cuando se transfiere calor a través de una pared, y el fluido caliente no se mezcla con el fluido frío. Las masas de las corrientes no cambian, sólo su contenido energético, y normalmente entran 2 corrientes, una caliente y una fría, y salen dos corrientes, una que ganó energía y otra que cedió energía.
El enfriamiento se lleva a cabo siempre al mismo tiempo que el calentamiento, ya que una corriente se enfría pero otra se caliente
Evaporación. Es la concentración de una solución debida a la eliminación de agua mediante la aplicación de calor. La evaporación es una operación unitaria basada en la transferencia de calor y normalmente se desarrolla a bajas presiones. Se puede llevar a cabo en un solo equipo, denominándose entonces como evaporación de simple efecto. En este caso se pueden incluir dos variantes conocidas como evaporación con termocompresión o con recompresión.
En esta operación se alimenta vapor proveniente de la caldera, el cual cede calor indirectamente al fluido que se va a concentrar. Al ceder energía el vapor de
Introducción a las operaciones unitarias Página 10
la caldera cambia de fase y se le denomina condensado. Estas dos corrientes (vapor de la caldera y condensado) no se mezclan con el material a concentrar. El fluido a concentrar absorbe el calor que cede el vapor de la caldera, logrando que el fluido a concentrar hierva e inicie la evaporación del solvente, separándose del resto del material, obteniendo por un lado evaporado y por otro concentrado. La evaporación también puede llevarse a cabo en unidades conectadas en serie, donde el vapor generado durante la concentración en la primera unidad (efecto) se emplea como medio de calentamiento de la siguiente unidad. Este proceso de evaporación se conoce como evaporación de múltiple efecto. Y puede estar constituido por dós ó más evaporadores (efectos)
Destilación. Operación unitaria de separación en la cual dos líquidos miscibles entre sí (pueden ser mas de dos líquidos) pero con diferente punto de ebullición se separan en función de este parámetro. La destilación genera un producto de cabeza que es el de menor punto de ebullición, normalmente en estado vapor. También genera un producto de fondos o colas que corresponde al de mayor punto de ebullición. Casi siempre la mezcla a separar se alimenta a la temperatura de saturación de la sustancia más volátil a la presión en la columna. La mezcla se vaporiza parcialmente, quedando en la parte de domo la mayor proporción del líquido de menor punto de ebullición. Dependiendo del tipo de destilación una proporción de los productos de cabeza y colas se regresan a la columna.
Cristalización. Es un procedimiento, por el cual, las disoluciones se transforman a sales cristalinas con el fin de ser transportadas o almacenadas con mayor facilidad. Para llevar a cabo una cristalización es necesario concentrar la disolución hasta la sobresaturación, está se logra aplicando calor hasta que la temperatura del disolvente logre que la presión de vapor propia venza la del sistema, y se separa la mayor proporción de la fase líquida (evaporación). Después se lleva a cabo un enfriamiento, esto es, al bajar la temperatura de la solución sobresaturada, las moléculas del soluto buscarán el acomodo geométrico más conveniente, este será en red cristalina. Si además se aerea la solución, se provoca una transferencia de masa del solvente de la solución a la atmósfera, ocasionando una eliminación de éste más rápido, y por lo tanto, se incrementa la formación de los cristales. La cristalización puede llevarse a cabo en un solo equipo o bien en varios, la figura muestra un bloque para un proceso de cristalización que requiere de evaporación.
Introducción a las operaciones unitarias Página 12
Humidificación. De las operaciones industriales más importantes relacionadas con el acondicionamiento del aire se puede mencionar a la humidificación. Los procesos de humidificación se llevan a cabo para controlar la humedad de un espacio o bien y con mayor frecuencia para enfriar y recuperar agua poniéndola en contacto con aire de baja humedad. En la práctica industrial la humidificación del aire se realiza mediante:
- Mezcla de dos masas de gases de diferente humedad. Uno gana y otro pierde humedad.
- Adición de vapor saturado.
- Adición de un líquido que se evapora totalmente en la masa gaseosa.
- Adición de un líquido en condiciones cualesquiera, evaporándose parte del líquido.
- Contacto de un gas con un sólido húmedo.
- Gas en contacto con un líquido.
- Aire en contacto con agua en una columna. La humidificación está basada en la transferencia de masa, ya que existe el flujo de agua de la corriente que la contiene en mayor concentración a la corriente que la contiene en menor concentración
Secado. El término implica la transferencia de un líquido procedente de un sólido húmedo a una fase gaseosa no saturada. El secado se fundamenta en una transferencia simultánea de calor y de masa, este término usualmente infiere la eliminación de cantidades de agua relativamente pequeñas de un sólido o de un material casi sólido.
Cedillo Cobos Página 13
Extracción sólido- líquido. Consiste en tratar un sólido que está formado por dos o más sustancias con disolvente, el cual, disuelve preferentemente uno de los dos sólidos, que recibe el nombre de soluto. La operación recibe también el nombre de lixiviación, nombre más empleado al disolver y extraer sustancias inorgánicas en la industria minera. Otro nombre empleado es la percolación, en este caso, la extracción se hace con un disolvente caliente o en su punto de ebullición. La extracción sólido- líquido puede ser una operación a régimen permanente o intermitente, según los volúmenes que se manejen.
Los equipos utilizados reciben el nombre de extractores, lixiviadores, o percoladores. El equipo más sencillo consiste en un tanque agitador y luego un sedimentador. En el caso general, se agrega disolvente en exceso para evitar que la solución se sature y no pueda extraerse más soluto. Los residuos en esta operación son los lodos acumulados en el fondo del extractor que contienen sólidos y disolventes Extracción líquido-líquido. Es una operación unitaria que consiste en poner una mezcla líquida en contacto con un segundo líquido miscible, que selectivamente extrae uno o más de los componentes de la mezcla. El líquido que se emplea para extraer parte de mezcla debe ser insoluble para los componentes primordiales. Después de poner en contacto el disolvente y la mezcla se obtienen dos fases líquidas que reciben los nombres de extracto y refinado.
DIAGRAMAS DE PROCESO
Para llevar a cabo lo cálculos de la materia y la energía involucrados en los procesos es necesario conocer las etapas y el orden en que éstas forman parte del proceso, y para ello se emplean los diagramas de bloques y /ode flujo de proceso, entre otros.
Diagrama de bloques Consiste en fijar las partes básicas o preliminares de algún proceso sin ningún tipo de especificación. Para elaborar el diagrama, cada una de las operaciones del proceso se anota en un cuadro o bloque, que se unen mediante flechas indicando susecuencia. En estos diagramas además de representar las operaciones con bloques, pueden incluirse esquemas (ver figuras).
Cedillo Cobos Página 15
Diagrama de bloques de un proceso de fermentación.
Diagrama de flujo de procesos.
Un diagrama de flujo de proceso, es un diagrama de bloques mejorado que incluye además de la representación del proceso industrial informaciones básicas acerca del tipo y composición de las corrientes, caudales másicos, temperatura, presión y entalpía para cada corriente. En algunas ocasiones, se introducen abreviaturas a los diagramas de flujo para designar las diferentes corrientes y equipos.
En la práctica convencional, los diagramas de flujo son grandes; el tamaño promedio es de 60 x 90 cm. Los diagramas de plantas muy grandes o muy complejas, exceden la capacidad de un simple plano y se representan como segmentos o módulos cada uno en hoja por separado. Los diagramas de flujo de proceso contienen la siguiente información:
o Constituyentes esenciales Símbolos de equipos Líneas de flujo Números de los equipos. Nombres de los equipos. Designación de los servicios. Designación de presión y temperatura de las líneas de proceso. Flujos seleccionados, molares o volumétricos. Tabla de balance de materia correspondiente a cada línea de flujo. Lista de equipo. (cuadro y renglón en el diagrama)
Introducción a las operaciones unitarias Página 16
Cuadro de notas Cuadro de claves Cuadro de identificación.
o Constituyentes opcionales: Intercambio de energía. Instrumentos principales. Propiedades físicas de las corrientes de proceso.
El diagrama de flujo se construye de la siguiente forma:
- Se elabora un diagrama, utilizando la simbología apropiada para corrientes y equipo. Esto aún es un esquema cualitativo. Este diagrama deberá estar conformado de la siguiente manera:
I. El flujo es de izquierda a derecha. La materia prima entra por la izquierda y los productos terminados o corrientes de desechos salen por la derecha. II. El diagrama de flujo está orientado horizontalmente, con elevaciones que se asemejan a las del proceso real. El espacio vertical se puede modificar de acuerdo a las líneas de flujo con el fin de obtener un uso adecuado del papel y mejor presentación. III. Las corrientes del proceso se designan con líneas gruesas. Si las corrientes se cruzan, sin mezclarse, una de las líneas se debe de cortarse para permitir un espacio en el punto de cruce. Las cabezas de las flechas están dibujadas en todas corrientes entrando en la intersección cuando las líneas de flujo se unen.
- Se nombra y enumera el equipo de la siguiente forma:
I. Numerar cada área de proceso, comenzando con 100, 200, 300, etc.. II. Numerar las partes principales del equipo de proceso en cada área, comenzando con 110,120,130, etc. III. Numerar las partes de soporte del equipo asociado con una unidad principal del proceso, comenzando con el número siguiente más alto que el de la unidad principal del proceso, por ejemplo, 111, 112, 113, 114, para las partes del soporte relacionadas con 110. IV. Para la numeración de equipos los primeros nueve números de cada área están reservados para el equipo que da servicio al área completa, y está área completa puede dividirse en sus componentes y ser numerada como en los pasos 2 a 4. V. Agregar una letra de prefijo a cada número de equipo para denominar el tipo, por ejemplo: F-110, C-120, E-111, H-121, G-112, M-122. Las letras utilizadas las fija cada uno de los bufetes o firmas de ingeniería.
- Designación de corrientes.
I. Primero se designan los servicios. II. Para numerar las corrientes se debe iniciar, con las corrientes de materia prima, que entran del lado izquierdo y se mueven hacia la derecha, hasta que se hayan designado todas, y luego las corrientes de salida.
Introducción a las operaciones unitarias Página 18
La química farmacéutica es cada vez más compleja, en ella se requiere del empleo de procesos de varias etapas (operaciones unitarias), en las que el producto de una etapa es la materia prima de la siguiente, hasta que se sintetiza ó extrae el producto deseado. Dentro de las operaciones de fabricación farmacéuticas se pueden distinguir la producción básica de principios activos a granel y la fabricación farmacéuticas de formas galénicas (fig ). Para la fabricación de éstas últimas (p. ej., comprimidos, cápsulas, líquidos, polvos, cremas y pomadas), se combinan principios activos y materiales inertes, estos excipientes farmacéuticos (aglutinantes, sustancias de carga, aromatizantes y diluyentes, conservadores y antioxidantes) dan las propiedades físicas y farmacológicas deseadas (fig ). En la fabricación de las formas galénicas se aplican tres tipos de procesos: fermentación (fig), síntesis de productos orgánicos (fig) y extracción biológica natural (fig). Como ya se menciono, estas operaciones pueden ser discontinuas, continuas o una combinación de ambas.
Síntesis orgánica
Diagrama de formas galénicas farmacéuticas
