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Universidad Tecnológica NacionalUniversidad Tecnológica NacionalFacultad Regional DeltaFacultad Regional Delta

Departamento de Ingeniería QuímicaDepartamento de Ingeniería Química

Asignatura:Asignatura:INTEGRACION IIINTEGRACION II

“Introducción a las Operaciones Unitarias”“Introducción a las Operaciones Unitarias”

Cátedra:Cátedra:Prof. Interino:Prof. Interino: Ing. Fernando Pablo Ing. Fernando Pablo VisintinVisintin

AuxiliarAuxiliar : Ing. : Ing. DamianDamian AyrAyr VerganiVergani

La Industria de ProcesosLa Industria de Procesos

“Industria en la cual intervienen procesos que“Industria en la cual intervienen procesos quetransforman las materias primas en productostransforman las materias primas en productos

intermedios o finales que poseen distinta composición”intermedios o finales que poseen distinta composición”

Se presentan dos casos:Se presentan dos casos:1)1) Con transformación químicaCon transformación química2)2) Sin transformación químicaSin transformación química

En ambos casos se necesita de operaciones características de laEn ambos casos se necesita de operaciones características de laindustria química llamadas “OPERACIONES UNITARIAS”:industria química llamadas “OPERACIONES UNITARIAS”:

�� Cumplen un objetivo específicoCumplen un objetivo específico�� Son similares en industrias diferentesSon similares en industrias diferentes�� Basadas en procesos de transporteBasadas en procesos de transporte

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¿Cómo se representan? FLOWSHEETS¿Cómo se representan? FLOWSHEETS

Características de los Características de los FlowFlow--sheetssheets

�� Documento de referencia para la descripción del procesoDocumento de referencia para la descripción del proceso�� Contiene todos los equipos principalesContiene todos los equipos principales

�� No suele incluir circuitos de servicios auxiliaresNo suele incluir circuitos de servicios auxiliares�� No suele incluir instrumentación ni lazos de controlNo suele incluir instrumentación ni lazos de control�� Los símbolos recuerdan la forma del equipoLos símbolos recuerdan la forma del equipo

�� No existe simbología normalizada fuera de cada empresaNo existe simbología normalizada fuera de cada empresa�� Suelen incluir tabla de corrientesSuelen incluir tabla de corrientes

�� Pueden aparecer tablas para los servicios auxiliares y con las Pueden aparecer tablas para los servicios auxiliares y con las características de cada equipocaracterísticas de cada equipo

�� Utilizan nomenclatura precisa (no estandarizada) para los Utilizan nomenclatura precisa (no estandarizada) para los equipos principalesequipos principales

�� Suelen incluir banderas para la identificación de las corrientesSuelen incluir banderas para la identificación de las corrientes�� Suelen incluir banderas con valores de algunas de las Suelen incluir banderas con valores de algunas de las

variables de procesovariables de procesomás importantesmás importantes

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Construcción con Microsoft VISIO®Construcción con Microsoft VISIO®

Representación simplificadaRepresentación simplificada: : Diagrama de BloquesDiagrama de Bloques

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PROCESOS CONTINUOSPROCESOS CONTINUOS

VENTAJAS:VENTAJAS:

�� Economía de escala (grandes producciones)Economía de escala (grandes producciones)�� Fácil recuperación o aportación de calorFácil recuperación o aportación de calor�� Reducción de la mano de obra (automatización)Reducción de la mano de obra (automatización)�� Eliminación de tiempos muertos (carga y descarga)Eliminación de tiempos muertos (carga y descarga)��Mayor uniformidad de los productosMayor uniformidad de los productos��Mayor producción por unidad de volumenMayor producción por unidad de volumen

DESVENTAJAS:DESVENTAJAS:

�� Se requiere uniformidad de composición de materias primasSe requiere uniformidad de composición de materias primas�� Difícil adaptación de la producción al consumoDifícil adaptación de la producción al consumo��Arranque y parada complicados (grandes instalaciones)Arranque y parada complicados (grandes instalaciones)�� Equipo de instrumentación y control costosoEquipo de instrumentación y control costoso

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PROCESOS DISCONTINUOSPROCESOS DISCONTINUOS

SonSon adecuadosadecuados cuandocuando sese operaopera aa pequeñapequeña escala,escala, sese fabricanfabricancompuestoscompuestos dede altoalto valorvalor agregadoagregado oo existenexisten algunasalgunascaracterísticascaracterísticas específicasespecíficas deldel productoproducto ((corrosividadcorrosividad,, etcetc)) quequejustifiquenjustifiquen queque laslas paradasparadas debandeban serser frecuentesfrecuentes..

AlgunosAlgunos ejemplosejemplos……

�� Colorantes Colorantes y productos farmacéuticos.y productos farmacéuticos.�� Procesos Procesos de fermentación.de fermentación.�� Alimentos (vinos, Alimentos (vinos, lácteoslácteos, conservas)., conservas).�� Producción Producción de de Biomasa.Biomasa.��Químicos Químicos finos y especiales.finos y especiales.�� PolímerosPolímeros, , coco--polímeros, resinas, fibras, etc.polímeros, resinas, fibras, etc.�� CosméticosCosméticos y perfumes.y perfumes.

CONTACTO CONTINUOCONTACTO CONTINUO CONTACTO DISCONTINUOCONTACTO DISCONTINUO

Columna de relleno Columna de relleno (ABSORCIÓN)(ABSORCIÓN)

Columna de Columna de RECTIFICACIÓNRECTIFICACIÓN

(intermitente, por etapas o interrumpido)(intermitente, por etapas o interrumpido)

Clasificación según el contacto entre las fases…Clasificación según el contacto entre las fases…

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Operación con Operación con flujo en contracorrienteflujo en contracorriente

Las fases fluyen en sentido contrarioLas fases fluyen en sentido contrario

Operación con Operación con flujo flujo cruzadocruzado

Las fases fluyen de formaLas fases fluyen de formaperpendicularperpendicular

Clasificación según el tipo de circulación…Clasificación según el tipo de circulación…Operación con Operación con flujo en paraleloflujo en paralelo

Las fases fluyen en el mismo sentidoLas fases fluyen en el mismo sentido

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Operaciones de destilaciónOperaciones de destilación

Trenes de destilaciónTrenes de destilaciónSecuencia de columnasSecuencia de columnas

Supongamos una Supongamos una mezcla ternariamezcla ternaria (A, B y C) donde:(A, B y C) donde:TTbCbC > T> TbBbB > T> TbAbA

Secuenciasposibles

SecuenciaDirecta

SecuenciaInversa

A B

C

BCABC ABC AB

A

BC

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Trenes de destilaciónTrenes de destilaciónSecuencia de columnasSecuencia de columnas

Para Para 4 ó más componentes4 ó más componentesaparecen combinaciones de las aparecen combinaciones de las secuencias anteriores. El número de secuencias posibles está dado secuencias anteriores. El número de secuencias posibles está dado

por la expresión matemática:por la expresión matemática:

)!1(!

)]!1(2[

−

−=

nn

nNS

Donde “n” es el número de componentes de la mezclaDonde “n” es el número de componentes de la mezcla¿Cómo elegir la mejor secuencia?¿Cómo elegir la mejor secuencia?

��Método heurístico: se basa en reglas prácticasMétodo heurístico: se basa en reglas prácticas��Método algorítmico: recorre las alternativas evaluando sus Método algorítmico: recorre las alternativas evaluando sus

costoscostos�� Combinación de los dos métodosCombinación de los dos métodos

Operaciones de absorción/desorciónOperaciones de absorción/desorción

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Intercambiadores de calorIntercambiadores de calor

Son equipos en el que dos corrientes a distintasSon equipos en el que dos corrientes a distintastemperaturas fluyen sin mezclarse con el objeto detemperaturas fluyen sin mezclarse con el objeto deenfriar una de ellas, calentar la otra o ambas cosas.enfriar una de ellas, calentar la otra o ambas cosas.

Intercambiadores de coraza y tubosIntercambiadores de coraza y tubos

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Intercambiadores de calorIntercambiadores de calor

Generador de vaporGenerador de vapor

Intercambiador tubularIntercambiador tubular

Calentador de fuel oilCalentador de fuel oil

Operaciones de transferenciaOperaciones de transferenciade cantidad de movimientode cantidad de movimiento

SISTEMAS HOMOGENEOSSISTEMAS HOMOGENEOS�� Equipos de trituración y moliendaEquipos de trituración y molienda�� Equipos de transporte de sólidosEquipos de transporte de sólidos

�� BombasBombas�� CompresoresCompresores

SISTEMAS HETEROGENEOS SISTEMAS HETEROGENEOS �� SedimentadoresSedimentadores�� CentrífugasCentrífugas�� CiclonesCiclones

�� Equipos de filtraciónEquipos de filtración�� Agitación y mezcladoAgitación y mezclado

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Compresores, ventiladores y soplantesCompresores, ventiladores y soplantes1)1) CentrífugosCentrífugos

2)2) de Desplazamiento Positivode Desplazamiento Positivo�� AlternativosAlternativos�� RotativosRotativos

BOMBASBOMBAS

1)1) Bombas CENTRIFUGASBombas CENTRIFUGASMayor capacidad (caudal) y menor carga (presión)Mayor capacidad (caudal) y menor carga (presión)

�� de flujo radialde flujo radial�� de flujo axialde flujo axial�� de flujo mixtode flujo mixto

2)2) Bombas de Desplazamiento PositivoBombas de Desplazamiento PositivoMenor capacidad (caudal) y mayor carga (presión)Menor capacidad (caudal) y mayor carga (presión)�� Alternativas Alternativas → ej: de diafragma→ ej: de diafragma�� Rotativas → ej: de engranajesRotativas → ej: de engranajes

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Bombas centrífugasBombas centrífugasActúan por “acción centrífuga”: conversión de energía Actúan por “acción centrífuga”: conversión de energía

cinética en energía de presión en la volutacinética en energía de presión en la voluta

Bombas de desplazamiento positivoBombas de desplazamiento positivo

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Centrífuga de doble descargaCentrífuga de doble descarga

CICLONESCICLONES

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FILTROSFILTROS

SedimentadorSedimentadorcónicocónico

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Los PROCESOS UNITARIOSLos PROCESOS UNITARIOS

Si en una etapa se produce alguna reacción química, esta se denomina Si en una etapa se produce alguna reacción química, esta se denomina proceso unitarioproceso unitario. Un proceso unitario puede involucrar, por ejemplo, . Un proceso unitario puede involucrar, por ejemplo, una reacción de:una reacción de:

AlcohólisisAlcohólisis, , AlquilaciónAlquilación, , AminaciónAminación, , AmoniólisisAmoniólisis, , CiclizaciónCiclización, , Calcinación, Calcinación, CarboxilaciónCarboxilación, Combustión, Condensación, , Combustión, Condensación,

Deshidratación, Deshidratación, DeshidrogenaciónDeshidrogenación, , DiazotaciónDiazotación y acoplamiento, y acoplamiento, Electrólisis, Esterificación, Fermentación, Electrólisis, Esterificación, Fermentación, HalogenaciónHalogenación, ,

HidroformilaciónHidroformilación, Hidrogenación, , Hidrogenación, HidrogenólisisHidrogenólisis, Hidrólisis e , Hidrólisis e hidratación, Intercambio iónico, Isomerización, Neutralización, hidratación, Intercambio iónico, Isomerización, Neutralización,

Nitración, Oxidación, Pirolisis, Polimerización, Nitración, Oxidación, Pirolisis, Polimerización, etcetc……

Lo más importante de un proceso unitario no es el equipo en síLo más importante de un proceso unitario no es el equipo en sí(que es un reactor) si no el mecanismo de la reacción, la (que es un reactor) si no el mecanismo de la reacción, la velocidad develocidad de

la mismala mismay el y el equilibrioequilibrio que se puede alcanzar.que se puede alcanzar.

REACTORES: ClasificaciónREACTORES: Clasificación

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T, C T2= T

C2= C

T1,, C1

Reactor de mezcla perfecta o completaReactor de mezcla perfecta o completa

Reactor tubular flujo pistónReactor tubular flujo pistón

T1

C1

T2

C2

Reactor de laboratorioReactor de laboratorio

Reactor multitubularReactor multitubular

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Los SERVICIOS AUXILIARESLos SERVICIOS AUXILIARES

��Proporcionan distintos recursos sin losProporcionan distintos recursos sin loscuales la planta no puede operar.cuales la planta no puede operar.��No forman parte de las corrientesNo forman parte de las corrientes

principales del proceso (principales del proceso (núcleo del procesonúcleo del proceso).).��Intervienen en los balances de masaIntervienen en los balances de masa

y energía.y energía.��Son similares en procesos distintos.Son similares en procesos distintos.��Cada uno posee una ubicación óptimaCada uno posee una ubicación óptima

dentro de los límites de batería de la planta.dentro de los límites de batería de la planta.

Los SERVICIOS AUXILIARESLos SERVICIOS AUXILIARES

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¿Cómo se clasifican?¿Cómo se clasifican?Según el tipo de recurso que proporcionan:Según el tipo de recurso que proporcionan:

1)1) Servicios ENERGÉTICOSServicios ENERGÉTICOS1.A 1.A –– Energético TérmicosEnergético Térmicos

�� De calefacciónDe calefacción�� De enfriamientoDe enfriamiento

1.B 1.B –– Energético Mecánicos:Energético Mecánicos:�� Energía eléctricaEnergía eléctrica�� Fluidos mecánicosFluidos mecánicos

2) Servicios OPERATIVOS2) Servicios OPERATIVOS

SERVICIOS ENERGÉTICOSSERVICIOS ENERGÉTICOS

Energético TérmicosEnergético Térmicosa) De calefacción:a) De calefacción:

�� Energía eléctricaEnergía eléctrica�� Fluidos caloportadoresFluidos caloportadores�� CombustiblesCombustibles

b) De enfriamiento:b) De enfriamiento:�� Agua de enfriamientoAgua de enfriamiento�� Ciclos frigoríficosCiclos frigoríficos

Energético Mecánicos:Energético Mecánicos:a) Energía eléctricaa) Energía eléctricab) Fluidos:b) Fluidos:hidráulicos y neumáticoshidráulicos y neumáticos

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SERVICIOS OPERATIVOSSERVICIOS OPERATIVOS

�� Almacenamiento de materias primas y Almacenamiento de materias primas y productos intermedios y finalesproductos intermedios y finales�� Agua contra incendioAgua contra incendio

�� Desmineralización y desgasificación de Desmineralización y desgasificación de aguasaguas

�� Tratamiento de efluentes y residuosTratamiento de efluentes y residuos�� Gases industriales inertesGases industriales inertes

�� Transmisión de información (electricidad y Transmisión de información (electricidad y aire comprimido)aire comprimido)

VAPORVAPORSegún su presión se clasifica en:Según su presión se clasifica en:�� Vapor de baja presión Vapor de baja presión → → 5 a 20 bar5 a 20 bar�� Vapor de media presión Vapor de media presión → → 20 a 50 bar20 a 50 bar�� Vapor de alta presión Vapor de alta presión → → + de 50 bar+ de 50 bar

Se generan en equipos denominados Se generan en equipos denominados calderascalderas::1.1. Calderas de tubos de humosCalderas de tubos de humos2.2. Calderas de tubos de aguaCalderas de tubos de agua

En cuanto a los sistemas de distribución hayEn cuanto a los sistemas de distribución hayque poner especial atención en:que poner especial atención en:

�� Características de las tuberías de vaporCaracterísticas de las tuberías de vapor�� Sistemas de recuperación de condensados: Sistemas de recuperación de condensados:

“trampas de vapor”“trampas de vapor”

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CALDERASCALDERAS

AGUASAGUASSegún el uso del agua se clasifica en:Según el uso del agua se clasifica en:�� Agua de procesoAgua de proceso�� Agua contraincendioAgua contraincendio�� Agua de enfriamientoAgua de enfriamiento�� Agua de calderasAgua de calderas�� Agua potableAgua potable

Los tratamientos del agua son:Los tratamientos del agua son:1)1) FiltraciónFiltración

2)2) CoagulaciónCoagulación--floculaciónfloculación3)3) SedimentaciónSedimentación

4)4) Desmineralización y ajuste de pHDesmineralización y ajuste de pH5)5) DesgasificaciónDesgasificación6)6) PotabilizaciónPotabilización

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COMBUSTIBLESCOMBUSTIBLESHay tres tipos básicos de combustibles:Hay tres tipos básicos de combustibles:�� GaseososGaseosos: : gas natural, LPGgas natural, LPG�� LíquidosLíquidos: : diesel oil, gas oil, fuel oildiesel oil, gas oil, fuel oil�� SólidosSólidos: : hullas, coke, madera, desechoshullas, coke, madera, desechos

Para selección del combustible tener en cuenta:Para selección del combustible tener en cuenta:�� Poder calorífico (inferior)Poder calorífico (inferior)�� Aire teórico Aire teórico

��Exceso de aire requeridoExceso de aire requerido�� Tipo de quemador necesarioTipo de quemador necesario

�� Características de los gases de combustiónCaracterísticas de los gases de combustión

)(%2,102º5,5717887)/( SAPIPCS lbBTU −+=

SOHCPCS lbBTU 4050)8/(6202814544)/( +−+=

COGENERACIONCOGENERACION“Proceso de producción de energía que incluye la “Proceso de producción de energía que incluye la

generación simultánea de energía térmica (por generación simultánea de energía térmica (por ejemplo vapor para proceso) y eléctrica mediante el ejemplo vapor para proceso) y eléctrica mediante el empleo de una fuente sencilla de calor primario”.empleo de una fuente sencilla de calor primario”.

¿Cuándo se justifica?¿Cuándo se justifica?Alto costo de la energía eléctrica compradaAlto costo de la energía eléctrica comprada

¿Cuál es el incentivo?¿Cuál es el incentivo?MAYOR AHORRO ENERGÉTICOMAYOR AHORRO ENERGÉTICO

Un ejemplo de cogeneración:Un ejemplo de cogeneración:Se produce vapor de alta para ser utilizado en Se produce vapor de alta para ser utilizado en

primer lugar para generar energía eléctrica en una primer lugar para generar energía eléctrica en una turbina y luego el vapor de media que resulta puede turbina y luego el vapor de media que resulta puede

utilizarse como vapor de proceso.utilizarse como vapor de proceso.

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TORRES DE ENFRIAMIENTOTORRES DE ENFRIAMIENTO

ALMACENAMIENTO de FLUIDOSALMACENAMIENTO de FLUIDOSLos tipos de tanques de almacenamiento de fluidos son:Los tipos de tanques de almacenamiento de fluidos son:

a) a) Tanques AtmosféricosTanques Atmosféricos::Para líquidos cuya presión de vapor noPara líquidos cuya presión de vapor nosupera la presión atmosférica normalsupera la presión atmosférica normal�� Tanques de techo fijoTanques de techo fijo�� Tanques de techo flotanteTanques de techo flotante�� Tanques con membrana flotanteTanques con membrana flotante

b) b) Recipientes a presiónRecipientes a presión::Para gases comprimidos ó líquidos cuya presión dePara gases comprimidos ó líquidos cuya presión devapor es mayor que la presión atmosférica normalvapor es mayor que la presión atmosférica normal

�� EsferasEsferas�� HabanosHabanos

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Tanques de techo fijoTanques de techo fijo

Tanques de techo flotanteTanques de techo flotante

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Hi Level- (NormalFilling Height)

80% of volume.See Note Below.

Normal Lo -Determined by

Technical and OilMovements

Note:10' or greater in diameter =(Butane)85% - (Propane) 80% of fill volume.

If less than 10' in diameter = (Butane)77% - (Propane) 77% of fill volume.

Hi Hi Level- 1" above Hi Level.

HABANOSHABANOS

Sphere

80% Volume

?%Volume

Hi Level- (Normal FillingHeight)

80% of volume.See Note Below.

Normal Lo -Determined by

Technical and OilMovements

Level Setting Guidelines Baytown

Hi Hi Level- 1" above Hi Level.

ESFERASESFERAS

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